JP4878756B2 - Immobilization of enzymes used in biofuel cells and sensors - Google Patents

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Description

本発明は、一般に、燃料電池および電気を発生させる方法に関する。本発明は、特に、イオン伝導性ポリマーのような固定化物質に組み込まれた生物学的酵素を含有するアノード、およびそれを使用して電気を発生させる方法に関する。   The present invention relates generally to fuel cells and methods of generating electricity. In particular, the present invention relates to an anode containing a biological enzyme incorporated in an immobilization material, such as an ion conducting polymer, and a method for generating electricity using it.

バイオ燃料電池は、ポリマー電解質膜によって分離されたカソード(負極)とアノード(陽極)とから成るという点で、従来のポリマー電解質膜("PEM")燃料電池に類似している。バイオ燃料電池は、電気化学反応を触媒するのに使用される物質が、従来の燃料電池と異なる。貴金属を触媒として使用するのではなく、バイオ燃料電池は、反応を行なうのに酵素のような生物学的分子に依存する。初期のバイオ燃料電池技術は、全微生物の代謝経路を使用したが、この方法に伴う問題は、全微生物の低容量触媒活性および非実用的電力密度アウトプット(power density outputs)である[1]。酵素分離法は、容量活性および触媒能力を増加させることによって、バイオ燃料電池用途における進歩に拍車をかけた[1]。分離酵素燃料電池は、細胞膜インピーダンスに関係した電子移動の障害および燃料消費微生物増殖の欠乏を克服することによって、増加した電力密度アウトプットを生じる。   Biofuel cells are similar to conventional polymer electrolyte membrane ("PEM") fuel cells in that they consist of a cathode (negative electrode) and an anode (anode) separated by a polymer electrolyte membrane. Biofuel cells differ from conventional fuel cells in the materials used to catalyze electrochemical reactions. Rather than using precious metals as catalysts, biofuel cells rely on biological molecules such as enzymes to carry out the reaction. Early biofuel cell technology used whole microbial metabolic pathways, but the problems with this method are the low capacity catalytic activity of all microorganisms and impractical power density outputs [1] . Enzymatic separation methods have spurred advances in biofuel cell applications by increasing capacity activity and catalytic capacity [1]. Separation enzyme fuel cells produce increased power density output by overcoming the obstacles of electron transfer related to cell membrane impedance and the lack of fuel-consuming microbial growth.

酵素は、極めて有効な触媒であるが、燃料電池へのそれらの組み込みに関して課題があった。初期の酵素に基づく燃料電池は、電極表面に固定化するのではなく、溶液に酵素を含有させていた[1およびそれに記載されている文献;それらは本明細書に参照として組み入れられる]。溶液中の酵素は、数日間安定であるにすぎないが、固定化酵素は、数ヶ月間安定であることができる。酵素に基づくバイオ燃料電池の主要な障害の1つは、電極表面における膜に酵素を固定化することであり、それは、酵素の寿命を延ばし、機械的および化学的に安定な層を形成するが、電極表面に容量領域(capacitive region)を形成しない。大部分のH2/O2燃料電池において、触媒を電極表面に保持する結合剤はNafionTMである。NafionTMは、イオン導体として優れた特性を有するパーフッ素化イオン交換ポリマーである。しかし、NafionTMは酵素の寿命および活性を減少させる酸性膜を形成する故に、NafionTMはバイオ燃料電池電極の表面における酵素の固定化に成功していない。 Enzymes are highly effective catalysts, but there have been challenges with their incorporation into fuel cells. Early enzyme-based fuel cells did not immobilize on the electrode surface, but contained the enzyme in solution [1 and the literature described therein; they are incorporated herein by reference]. The enzyme in solution is only stable for several days, but the immobilized enzyme can be stable for several months. One of the main obstacles of enzyme-based biofuel cells is to immobilize the enzyme in a membrane on the electrode surface, which extends the lifetime of the enzyme and forms a mechanically and chemically stable layer. No capacitive region is formed on the electrode surface. In most H 2 / O 2 fuel cells, the binder that holds the catalyst on the electrode surface is Nafion . Nafion is a perfluorinated ion exchange polymer with excellent properties as an ion conductor. However, since Nafion forms an acidic membrane that reduces the lifetime and activity of the enzyme, Nafion has not succeeded in immobilizing the enzyme on the surface of the biofuel cell electrode.

本発明の種々の要旨の1つは、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、(c)酵素を固定化し安定化することができる酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質、および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   One of the various aspects of the present invention is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; reducing oxidant in the presence of electrons to produce water. And (a) an electron conductor; (b) at least one enzyme capable of reacting with an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator; (C) an enzyme immobilization material capable of immobilizing and stabilizing an enzyme, the enzyme immobilization material being permeable to a fuel fluid and an electron mediator, and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor, The oxidized form of the electrocatalyst can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst, wherein the reduced form of the electrocatalyst There bioanode having electrocatalyst that is capable of releasing electrons to the electron conductor.

本発明の他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、酵素を固定化し安定化することができ、燃料流体透過性である酵素固定化物質、および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   Another aspect of the present invention is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing water to produce oxidant in the presence of electrons; and (A) an electron conductor, (b) at least one enzyme capable of reacting with an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator; (c) an electron mediator; An enzyme immobilization material comprising: an enzyme immobilization material capable of immobilizing and stabilizing the enzyme and permeable to a fuel fluid; and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor, The oxidized form of can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst, which reduces the electrons to the electron conductor. A bioanode having an electrocatalyst that can be released.

本発明の他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、(c)ミセル構造または逆ミセル構造を有する酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質、および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   Another aspect of the present invention is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; a cathode capable of generating water by reducing an oxidant in the presence of electrons. And (a) an electron conductor, (b) at least one enzyme capable of reacting with an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator, (c) An enzyme immobilization material having a micelle structure or reverse micelle structure, which is permeable to a fuel fluid and an electron mediator, and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor, wherein the electrocatalyst is oxidized Can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst, the reduced form of the electrocatalyst being an electron A bioanode having an electrocatalyst capable of emitting electrons to a conductor.

さらに他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、ミセル構造または逆ミセル構造を有し、燃料流体透過性である酵素固定化物質、および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   Yet another aspect is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing oxidant in the presence of electrons to produce water; and (a At least one enzyme capable of reacting with an oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator; and (c) an electron mediator An enzyme immobilization material comprising a micelle structure or a reverse micelle structure and permeable to a fuel fluid, and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor, wherein the electrocatalyst is oxidized Can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst that releases electrons to the electron conductor. A bioanode having an electrocatalyst that can be discharged.

他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)酵素を固定化し安定化することができる酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Another gist is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; a cathode capable of reducing water to produce oxidant in the presence of electrons; and A bioanode that oxidizes a fuel fluid to generate electricity, and reacts with (a) an electron conductor, (b) an oxidized form of an electron mediator and a fuel fluid, to form an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator At least one enzyme capable of producing a reduced form of an electron mediator capable of releasing electrons to an electron conductor, and (c) an enzyme immobilization material capable of immobilizing and stabilizing the enzyme comprising: A bioanode having an enzyme immobilization material that is permeable to fluid and electron mediators.

さらに他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、酵素を固定化し安定化することができ、燃料流体透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Yet another aspect is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing oxidant in the presence of electrons to produce water; and a fuel fluid A bioanode that oxidizes and generates electricity, reacting with (a) an electron conductor, (b) an oxidized form of an electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator A reduced form of the electron mediator, at least one enzyme capable of releasing electrons to the electron conductor, and (c) an enzyme immobilization material comprising the electron mediator, which immobilizes and stabilizes the enzyme A bioanode having an enzyme immobilization material that is permeable to a fuel fluid.

本発明の他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)ミセル構造または逆ミセル構造を有する酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Another aspect of the present invention is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; a cathode capable of generating water by reducing an oxidant in the presence of electrons. And a bioanode that oxidizes the fuel fluid to generate electricity, wherein (a) the electron conductor, (b) the oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid react with the oxidized form of the fuel fluid and the electron mediator At least one enzyme capable of producing a reduced form, wherein the reduced form of the electron mediator can release electrons to the electron conductor, and (c) an enzyme immobilization material having a micelle structure or a reverse micelle structure, A bioanode having an enzyme immobilization material that is permeable to a fuel fluid and an electron mediator.

他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、ミセル構造または逆ミセル構造を有し、燃料流体透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Another gist is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing oxidant in the presence of electrons to produce water; and a fuel fluid. A bioanode that oxidizes to generate electricity, reacting with (a) an electron conductor, (b) an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator A reduced form of the electron mediator, wherein the reduced form of the electron mediator is capable of releasing electrons to the electron conductor, and (c) an enzyme immobilization material comprising the electron mediator, having a micelle structure or a reverse micelle structure. And a bioanode having an enzyme immobilization material that is permeable to fuel fluid.

さらに他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマーから成る酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Yet another aspect is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; a cathode capable of producing water by reducing an oxidant in the presence of electrons; and A bioanode that oxidizes a fuel fluid to generate electricity, wherein (a) an electron conductor, (b) an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electron mediator reacting with the fuel fluid An enzyme immobilization material consisting of (c) a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer, and at least one enzyme in which the reduced form of the electron mediator can release electrons to the electron conductor, A bioanode having an enzyme immobilization material that is permeable to a fuel fluid and an electron mediator.

他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、燃料流体を酸化して電気を発生させるバイオアノードであって、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、アルキルアンモニウム塩抽出パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマーから成り、燃料流体透過性である酵素固定化物質を有するバイオアノード。   Another gist is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing oxidant in the presence of electrons to produce water; and a fuel fluid. A bioanode that oxidizes to generate electricity, reacting with (a) an electron conductor, (b) an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator And an enzyme immobilization material comprising a reduced form of an electron mediator, wherein the reduced form of the electron mediator can release electrons to the electron conductor, and (c) the electron mediator, wherein the alkylammonium salt extracted perfluorosulfonic acid A bioanode having an enzyme immobilization material made of PTFE copolymer and permeable to fuel fluid.

本発明の他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子メディエータ;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素;(c)変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマーから成る酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性である酵素固定化物質;および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   Another aspect of the present invention is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; an electron mediator; a cathode capable of generating water by reducing an oxidant in the presence of electrons. And (a) an electron conductor, (b) at least one enzyme capable of reacting with an oxidized form of the electron mediator and a fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator; An enzyme immobilization material comprising a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer, which is permeable to a fuel fluid and an electron mediator; and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor comprising: The oxidized form can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst, Bioanode with electrocatalyst capable original form releasing electrons to the electron conductor.

さらに他の要旨は、下記のものを含んで成る電気発生用のバイオ燃料電池である:燃料流体;電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに、(a)電子導体、(b)電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素;(c)電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマーから成り、燃料流体透過性である酵素固定化物質;および(d)電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒を有するバイオアノード。   Yet another aspect is a biofuel cell for electricity generation comprising: a fuel fluid; a cathode capable of reducing oxidant in the presence of electrons to produce water; and (a At least one enzyme capable of reacting with the oxidized form of the electron fluid and the fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator; (c) comprising the electron mediator; An enzyme immobilization material comprising a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer and permeable to a fuel fluid; and (d) an electrocatalyst proximate to an electron conductor comprising oxidation of the electrocatalyst The form can react with the reduced form of the electron mediator to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst, the reduced form of the electrocatalyst being Bioanode with electrocatalyst capable of releasing electrons to the conductor.

他の要旨は、本発明の前記要旨のいずれか1つのバイオ燃料電池を使用して電気を発生させる方法である。   Another aspect is a method for generating electricity using any one of the biofuel cells of the above aspect of the present invention.

本発明の他の要旨は、酵素を固定化し安定化することができ、酵素より小さい化合物透過性である非天然コロイド固定化物質中に、固定化された酵素である。   Another aspect of the present invention is an enzyme immobilized in a non-natural colloidal immobilization material that can immobilize and stabilize the enzyme and is permeable to a compound smaller than the enzyme.

さらに他の要旨は、酵素を固定化し安定化することができ、酵素より小さい化合物透過性である非気泡性コロイド固定化物質中に、固定化された酵素である。   Yet another gist is an enzyme immobilized in a non-cellular colloidal immobilization material that can immobilize and stabilize the enzyme and is permeable to a compound smaller than the enzyme.

他の要旨は、酵素を固定化し安定化することができ、酵素より小さい化合物透過性であるミセルまたは逆ミセル固定化物質中に、固定化された酵素である。   Another gist is an enzyme immobilized in a micelle or reverse micelle immobilization material that can immobilize and stabilize the enzyme and is permeable to a compound smaller than the enzyme.

他の要旨は、酵素を固定化し安定化することができ、酵素より小さい化合物透過性である陽イオン変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー中に、固定化された酵素である。   Another gist is an enzyme immobilized in a cation-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer that is able to immobilize and stabilize the enzyme and is smaller in compound permeability than the enzyme.

さらに他の要旨は、バイオアノードおよびカソードを含んで成るバイオ燃料電池であって、(a)バイオアノードが、カーボン布、ポリメチレングリーンのレドックスポリマーフィルム、塩抽出テトラブチルアンモニウムブロミドで処理したパーフッ素化イオン交換ポリマー、およびアルコールデヒドロゲナーゼを含んで成り、(b)アルコールデヒドロゲナーゼが、塩抽出テトラブチルアンモニウムブロミドで処理したパーフッ素化イオン交換ポリマーのミセル区画に組み込まれ、そして(c)ポリメチレングリーンのレドックスポリマーフィルムが、塩抽出テトラブチルアンモニウムブロミドで処理したパーフッ素化イオン交換ポリマーおよびカーボン布に並置されている、バイオ燃料電池である。   Yet another aspect is a biofuel cell comprising a bioanode and a cathode, wherein (a) the bioanode is treated with carbon cloth, polymethylene green redox polymer film, salt-extracted tetrabutylammonium bromide. An alcohol dehydrogenase, and (b) the alcohol dehydrogenase is incorporated into a micelle compartment of a perfluorinated ion exchange polymer treated with salt-extracted tetrabutylammonium bromide, and (c) a polymethylene green A biofuel cell in which a redox polymer film is juxtaposed to a perfluorinated ion exchange polymer and carbon cloth treated with a salt extracted tetrabutylammonium bromide.

さらに他の要旨は、支持膜、レドックスポリマー、第四級アンモニウム塩変性パーフッ素化イオン交換ポリマーおよびデヒドロゲナーゼ含むバイオアノードであって、(a)デヒドロゲナーゼが、第四級アンモニウム塩変性パーフッ素化イオン交換ポリマーに組み込まれ、そして(b)レドックスポリマーが、支持膜および第四級アンモニウム塩変性パーフッ素化イオン交換ポリマーに並置されている、バイオアノードである。   Yet another aspect is a bioanode comprising a support membrane, a redox polymer, a quaternary ammonium salt modified perfluorinated ion exchange polymer and a dehydrogenase, wherein (a) the dehydrogenase is quaternary ammonium salt modified perfluorinated ion exchange. A bioanode that is incorporated into the polymer and (b) the redox polymer is juxtaposed to the support membrane and the quaternary ammonium salt modified perfluorinated ion exchange polymer.

他の要旨は、カーボン布支持膜、ポリメチレングリーンレドックスポリマー、第四級アンモニウム塩変性パーフッ素化イオン交換ポリマーおよびアルコールデヒドロゲナーゼ含むバイオアノードであって、(a)デヒドロゲナーゼが、第四級アンモニウム塩変性NafionTMポリマーに組み込まれ、そして(b)レドックスポリマーが、カーボン布支持膜および第四級アンモニウム塩変性NafionTMポリマーに並置されている、バイオアノードである。 Another gist is a bioanode comprising a carbon cloth support membrane, a polymethylene green redox polymer, a quaternary ammonium salt modified perfluorinated ion exchange polymer and an alcohol dehydrogenase, wherein (a) the dehydrogenase is modified with a quaternary ammonium salt A bioanode that is incorporated into a Nafion polymer and (b) a redox polymer is juxtaposed to a carbon fabric support membrane and a quaternary ammonium salt modified Nafion polymer.

さらに他の要旨は、変性および1つまたはそれ以上の酵素を含んで成るパーフッ素化イオン交換ポリマーであって、酵素が変性パーフッ素化イオン交換ポリマーのミセルに組み込まれているパーフッ素化イオン交換ポリマーである。   Yet another aspect is a perfluorinated ion exchange polymer comprising a modified and one or more enzymes, wherein the enzyme is incorporated into micelles of the modified perfluorinated ion exchange polymer. It is a polymer.

他の要旨は、電力発生方法であって、アノードに組み込まれているレドックス酵素の存在下に、アノードにおいて有機燃料を酸化し、カソードにおいて酸素を還元することを含んで成り、該方法において、(a)アノードが、イオン伝導性ポリマー、レドックスポリマー膜および支持膜を含んで成り、(a)レドックス酵素がイオン伝導性ポリマー内に固定化され、(b)アノードにおける酸化反応の間に補助因子が還元され、(c)レドックスポリマー膜が還元補助因子の酸化を触媒する、電気発生方法である。   Another aspect is a power generation method comprising oxidizing organic fuel at an anode and reducing oxygen at a cathode in the presence of a redox enzyme incorporated in the anode, wherein: a) the anode comprises an ion conducting polymer, a redox polymer membrane and a support membrane, (a) a redox enzyme is immobilized within the ion conducting polymer, and (b) a cofactor is present during the oxidation reaction at the anode. It is an electricity generation method wherein it is reduced and (c) the redox polymer membrane catalyzes the oxidation of the reduction cofactor.

本発明の他の要旨は、電力発生方法であって、アノードにおいてアルコールを酸化し、カソードにおいて酸素を還元することを含んで成り、該方法において、(a)アノードが、ポリメチレングリーンポリマー、第四級アンモニウムブロミド処理NafionTMポリマー、炭素繊維支持膜およびアルコールデヒドロゲナーゼを含んで成り、(b)アルコールデヒドロゲナーゼが、第四級アンモニウムブロミド処理NafionTMポリマーのミセル区画内に固定化され、(c)アノードにおけるアルコールの酸化の間に、NADがNADHに還元され、そして(d)ポリメチレングリーンポリマーにおいてNADHがNADに電気酸化される、電気発生方法である。 Another aspect of the present invention is a power generation method comprising oxidizing alcohol at an anode and reducing oxygen at a cathode, wherein (a) the anode is a polymethylene green polymer, Comprising a quaternary ammonium bromide treated Nafion polymer, a carbon fiber support membrane and an alcohol dehydrogenase, (b) the alcohol dehydrogenase immobilized within the micellar compartment of the quaternary ammonium bromide treated Nafion polymer, and (c) the anode NOD + is reduced to NADH during the oxidation of the alcohol in (d) and (d) NADH is electrooxidized to NAD + in the polymethylene green polymer.

本発明の種々の要旨の1つは、増加した酵素安定性が好都合とされる用途における使用、特にバイオ燃料電子およびバイオセンサーにおける使用のための、固定化酵素である。固定化物質は、機械的および化学的安定性を与え、それによってこれまでに知られているより長い期間にわたって酵素を安定化するバリアを形成する。本発明の目的のために、酵素がその初期触媒活性の少なくとも約75%を、少なくとも約30日〜約365日間にわたって保持する場合に、酵素は「安定化されている」とする。本発明の他の要旨は、燃料電池であって、有機燃料(または、水素、アンモニアまたは炭化水素を含んで成る燃料流体)を使用して、酵素仲介レドックス(酸化/還元)反応によって電気を生じる燃料電池である。本発明の他の要旨は、バイオアノードおよびカソードを含んで成るバイオ燃料電池であって、バイオアノードが電解質によってカソードから分離しているバイオ燃料電池である。バイオアノードは、燃料流体透過性であり、酵素を固定化し、酵素を安定化する酵素固定化物質を含んで成る。固定化酵素の安定性は、バイオ燃料電池が、初期電流の少なくとも約75%を少なくとも約30日〜約365日間にわたって生じることを可能にする。   One of the various aspects of the present invention is an immobilized enzyme for use in applications where increased enzyme stability is favored, particularly in biofuel electronics and biosensors. The immobilization material provides mechanical and chemical stability, thereby forming a barrier that stabilizes the enzyme over a longer period of time known so far. For purposes of the present invention, an enzyme is “stabilized” if it retains at least about 75% of its initial catalytic activity for at least about 30 days to about 365 days. Another aspect of the present invention is a fuel cell that uses an organic fuel (or a fuel fluid comprising hydrogen, ammonia or hydrocarbons) to generate electricity through an enzyme-mediated redox (oxidation / reduction) reaction. It is a fuel cell. Another aspect of the present invention is a biofuel cell comprising a bioanode and a cathode, wherein the bioanode is separated from the cathode by an electrolyte. The bioanode is fuel fluid permeable and comprises an enzyme immobilization material that immobilizes the enzyme and stabilizes the enzyme. The stability of the immobilized enzyme allows the biofuel cell to produce at least about 75% of the initial current over at least about 30 days to about 365 days.

A.酵素固定化
一般に、酵素は、酵素を固定化し安定化する固定化物質に固定化される。本発明の固定化物質に固定化された酵素は、種々の用途に使用できる。以下に記載する酵素および固定化物質を、本発明の用途に使用することができる。
A. Enzyme Immobilization In general, an enzyme is immobilized on an immobilization substance that immobilizes and stabilizes the enzyme. The enzyme immobilized on the immobilized substance of the present invention can be used for various applications. The enzymes and immobilization substances described below can be used for the application of the present invention.

1.酵素
酵素を使用して所望の反応を触媒する。一般に、天然酵素、合成酵素、人工酵素および変性天然酵素を固定化することができる。さらに、自然または指向進化(directed evolution)によって設計された人工的酵素(engineered enzymes)も使用しうる。換言すれば、酵素特性を模倣した有機または無機分子を本発明の態様に使用することができる。
1. Enzymes are used to catalyze the desired reaction. In general, natural enzymes, synthetic enzymes, artificial enzymes and denatured natural enzymes can be immobilized. Furthermore, engineered enzymes designed by nature or directed evolution may be used. In other words, organic or inorganic molecules that mimic enzyme properties can be used in embodiments of the present invention.

例示できる酵素は、オキシドレダクターゼである。   An exemplary enzyme is oxidoreductase.

2.酵素固定化物質
酵素は、酵素固定化物質に固定化される。1つの態様において、酵素固定化物質は、酵素より小さい化合物透過性であり、酵素を固定化し、酵素を安定化する。固定化酵素は、その触媒活性を保持しながら、固定化物質の特定領域に物理的に拘束されている酵素である。担体結合、架橋および捕捉を包含する種々の酵素固定化法がある。担体結合は、水不溶性担体への酵素の結合である。架橋は、二官能性または多官能性試薬による酵素の分子間架橋である。捕捉は、半透性物質の格子への酵素の組み込みである。例えば、酵素を、半透性ゲルに組み込むか、または反応性ポリマー膜に閉じ込めることができる。酵素固定化の特定の方法は、必ずしも重要ではないが、固定化物質は、(1)燃料流体透過性であり、(2)酵素を固定化し、(3)酵素を安定化させる。
2. Enzyme Immobilization Substance The enzyme is immobilized on an enzyme immobilization substance. In one embodiment, the enzyme immobilization material is compound permeable that is smaller than the enzyme, immobilizes the enzyme, and stabilizes the enzyme. An immobilized enzyme is an enzyme that is physically restricted to a specific region of the immobilized substance while retaining its catalytic activity. There are various enzyme immobilization methods including carrier binding, cross-linking and capture. Carrier binding is the binding of an enzyme to a water-insoluble carrier. Crosslinking is intermolecular crosslinking of enzymes with bifunctional or polyfunctional reagents. Capture is the incorporation of the enzyme into the lattice of semipermeable material. For example, the enzyme can be incorporated into a semipermeable gel or confined to a reactive polymer membrane. The particular method of enzyme immobilization is not necessarily important, but the immobilization material is (1) fuel fluid permeable, (2) immobilizes the enzyme, and (3) stabilizes the enzyme.

固定化物質は、酵素より小さい化合物透過性である。換言すれば、固定化物質は、酵素より小さい化合物がその中を通りうるようにし、それによって、化合物は固定化物質上またはその中に固定化された酵素に接触することができる。固定化物質は、内部孔、管路(channel)、開口部またはそれらの組合せを有するように調製することができ、それらは固定化物質を通る化合物の移動を可能にし、しかも固定化物質内の実質的に同じ位置に酵素を拘束する。   The immobilization material is more permeable to the compound than the enzyme. In other words, the immobilization material allows a compound smaller than the enzyme to pass through it, so that the compound can contact the enzyme immobilized on or in the immobilization material. The immobilization material can be prepared to have internal pores, channels, openings or combinations thereof, which allow movement of the compound through the immobilization material and yet within the immobilization material. Restrain the enzyme at substantially the same position.

固定化物質は、該物質の実質的に特定の領域に酵素を拘束し、酵素がその触媒活性を保持することを可能にする。1つの態様において、好ましくは、酵素と実質的に同じ大きさおよび形のスペースに酵素を拘束し、酵素が実質的に全てのその触媒活性を保持する。固定化物質は、孔、管路、開口部またはそれらの組合せを有し、孔、管路、開口部およびそれらの組合せは、酵素が実質的にそのスペースから移動することを許さないが、酵素より小さい化合物が固定化物質を通って酵素に接触することは許す。抗、管路または開口部は、前記の必要条件を満たす物理的寸法を有し、固定化される特定酵素の大きさおよび形に依存する。   The immobilization material binds the enzyme to a substantially specific area of the material and allows the enzyme to retain its catalytic activity. In one embodiment, preferably the enzyme is constrained to a space of substantially the same size and shape as the enzyme, and the enzyme retains substantially all its catalytic activity. The immobilization material has pores, ducts, openings or combinations thereof, and the pores, ducts, openings and combinations thereof do not allow the enzyme to move substantially out of the space, but the enzyme Smaller compounds are allowed to contact the enzyme through the immobilized material. The anti, duct or opening has physical dimensions that meet the above requirements and depends on the size and shape of the particular enzyme to be immobilized.

1つの態様において、酵素を固定化物質の孔に配置し、燃料流体が輸送管路を通って固定化物質に流入したり流出したりするのが好ましい。孔および輸送管路の相対サイズは、孔は酵素を固定化するのに充分に大きいが、輸送管路は酵素がそれを通るには小さすぎるようにすることができる。他の態様において、輸送管路が少なくとも約10nmの直径を有するのが好ましい。さらに他の態様において、孔/輸送管路の直径の比率が、少なくとも約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1またはそれ以上である。さらに他の態様において、輸送管路が少なくとも約10nmの直径を有し、孔/輸送管路の直径の比率が少なくとも約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1またはそれ以上であるのが好ましい。   In one embodiment, it is preferred that the enzyme is placed in the pores of the immobilization material and the fuel fluid flows into and out of the immobilization material through the transport line. The relative size of the pores and the transport line can be such that the holes are large enough to immobilize the enzyme, but the transport line is too small for the enzyme to pass through it. In other embodiments, it is preferred that the transport line has a diameter of at least about 10 nm. In yet other embodiments, the pore / transport conduit diameter ratio is at least about 2: 1, 2.5: 1, 3: 1, 3.5: 1, 4: 1, 4.5: 1, 5: 1, 5.5: 1. 6: 1, 6.5: 1, 7: 1, 7.5: 1, 8: 1, 8.5: 1, 9: 1, 9.5: 1, 10: 1 or more. In still other embodiments, the transport conduit has a diameter of at least about 10 nm and the pore / transport conduit diameter ratio is at least about 2: 1, 2.5: 1, 3: 1, 3.5: 1, 4: 1. , 4.5: 1, 5: 1, 5.5: 1, 6: 1, 6.5: 1, 7: 1, 7.5: 1, 8: 1, 8.5: 1, 9: 1, 9.5: 1, 10: 1 or more The above is preferable.

さらに、固定化物質は酵素を安定化させる。固定化物質は、化学的および機械的バリアを与えて、酵素を変性から保護することによって酵素を安定化させる。換言すれば、固定化物質は、酵素環境を緩衝して、酵素変性を遅くする。さらに、固定化物質は、酵素を物理的に拘束し、その物理的拘束は、酵素に展開するスペースを与えない(折りたたまれた三次元構造からの展開は、酵素変性のメカニズムである)。1つの態様において、固定化物質は、酵素を安定化し、それによってその触媒活性を少なくとも約30日〜約365日間保持するのが好ましい。触媒活性の保持は、酵素がその触媒活性の少なくとも約75%を保持する日数によって規定される。酵素活性は、化学発光、電気化学、UV−Vis、放射化学または蛍光アッセイによって測定することができ、特性強度は、初期時に測定される。酵素は、強度が初期強度の少なくとも75%である場合に触媒活性を保持するとみなされる。一般に、蛍光アッセイを使用して、酵素活性を測定する。溶液中の遊離酵素は、その触媒活性を数時間〜数日で失う。従って、酵素の固定化は、安定性において有意な利益を与える。他の態様において、固定化酵素は、その初期触媒活性の少なくとも約75%を、少なくとも約30、45、60、75、90、105、120、150、180、210、240、270、300、330、365日間またはそれ以上にわたって保持するのが好ましく、好ましくは、その初期触媒活性の少なくとも約80%、85%、90%、95%またはそれ以上を、少なくとも約30、45、60、75、90、105、120、150、180、210、240、270、300、330、365日間またはそれ以上にわたって保持する。   In addition, the immobilization material stabilizes the enzyme. The immobilization material stabilizes the enzyme by providing a chemical and mechanical barrier to protect the enzyme from denaturation. In other words, the immobilization material buffers the enzyme environment and slows enzyme denaturation. Furthermore, the immobilization material physically constrains the enzyme, and the physical constraint does not provide space for the enzyme to develop (development from a folded three-dimensional structure is a mechanism for enzyme denaturation). In one embodiment, the immobilization material preferably stabilizes the enzyme, thereby retaining its catalytic activity for at least about 30 days to about 365 days. Retention of catalytic activity is defined by the number of days that the enzyme retains at least about 75% of its catalytic activity. Enzymatic activity can be measured by chemiluminescence, electrochemistry, UV-Vis, radiochemistry or fluorescence assay, and the characteristic intensity is measured at the initial stage. Enzymes are considered to retain catalytic activity when the strength is at least 75% of the initial strength. In general, a fluorescent assay is used to measure enzyme activity. Free enzyme in solution loses its catalytic activity in hours to days. Thus, immobilization of the enzyme provides a significant benefit in stability. In other embodiments, the immobilized enzyme at least about 75% of its initial catalytic activity is at least about 30, 45, 60, 75, 90, 105, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330. For at least about 30, 45, 60, 75, 90, preferably at least about 80%, 85%, 90%, 95% or more of its initial catalytic activity. , 105, 120, 150, 180, 210, 240, 270, 300, 330, 365 days or longer.

他の態様において、固定化物質は、非天然コロイド物質である。さらに他の態様において、固定化物質は、リポソームのような非気泡性(acellular)コロイド物質である。非気泡性物質は、細胞から構成されず、細胞を含有しない。コロイド物質は、他の物質に分散された粒子から成る物質であり、該粒子は、一般的な光学顕微鏡で解像するには小さすぎるが、半透性膜を通過することはできない。他の態様において、コロイド物質は、原子または一般的な分子より実質的に大きいが、裸眼で見るには小さすぎる粒子から成る物質である。それらは、約10−7〜10−3センチメートルの大きさであってよく、種々の方法で連結または結合される。 In other embodiments, the immobilization material is a non-natural colloidal material. In yet other embodiments, the immobilization material is an acellular colloidal material such as a liposome. Non-cellular substances are not composed of cells and do not contain cells. A colloidal material is a material consisting of particles dispersed in other materials, which are too small to be resolved with a common optical microscope, but cannot pass through a semipermeable membrane. In other embodiments, the colloidal material is a material composed of particles that are substantially larger than atoms or common molecules, but are too small to be viewed with the naked eye. They may be on the order of about 10 −7 to 10 −3 centimeters and are linked or joined in various ways.

他の態様において、固定化物質は、ミセルまたは逆ミセル構造を有する。一般に、ミセルを構成する分子は両親媒性であり、それは、それらが極性親水性基、および非極性疎水性基を含有することを意味する。分子は、凝集してミセルを形成することができ、極性基は凝集物の表面および炭化水素上に存在し、非極性基は、凝集物の中に隔離されている。逆ミセルは、極性基および非極性基の逆配置を有する。極性基が互いに近接し、非極性基が互いに近接している限りは、凝集物を構成する両親媒性分子を種々の配置にすることができる。さらに、分子は、互いに向き合った非極性基、互いに離れた(pointing away)極性基を有する二分子層を形成することができる。または、二分子層において極性基が互いに向き合うことができ、非極性基が離れている二分子層を形成することもできる。   In other embodiments, the immobilization material has a micelle or reverse micelle structure. In general, the molecules that make up micelles are amphiphilic, meaning that they contain polar hydrophilic groups and nonpolar hydrophobic groups. Molecules can aggregate to form micelles, polar groups are present on the surface of the aggregates and hydrocarbons, and nonpolar groups are sequestered in the aggregates. Reverse micelles have a reverse arrangement of polar and nonpolar groups. As long as the polar groups are close to each other and the nonpolar groups are close to each other, the amphiphilic molecules constituting the aggregate can be arranged in various ways. Furthermore, the molecules can form bilayers having non-polar groups facing each other and polar groups pointing away from each other. Alternatively, it is possible to form a bimolecular layer in which polar groups can face each other in the bimolecular layer and nonpolar groups are separated from each other.

一般に、ミセルまたは逆ミセル固定化物質は、ポリマー、セラミック、リポソームであってもよく、またはミセルまたは逆ミセル構造を形成する他の分子から形成することもできる。例示できるミセルまたは逆ミセル固定化物質は、以下のものである:パーフルオロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)コポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)(NafionTMまたはFlemionTM)、変性パーフルオロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)コポリマー(または変性パーフッ素化イオン交換ポリマー)(変性NafionTMまたは変性FlemionTM)、ポリスルホン、ミセルポリマー、ポリ(エチレンオキシド)に基づくブロックコポリマー、マイクロエマルジョンおよび/またはミセル重合から生成されるポリマー、およびアルキルメタクリレート、アルキルアクリレートおよびスチレンのコポリマー。他の例示できるミセルまたは逆ミセル固定化物質は、以下のものである:セラミック、ナトリウムビス(2−エチルヘキシル)スルホスクシネート、ナトリウムジオクチルスルホスクシネート、脂質、リン脂質、ドデシル硫酸ナトリウム、デシルトリメチルアンモニウムブロミド、テトラデシルトリメチルアンモニウムブロミド、(4−[(2−ヒドロキシル−1−ナフタレニル)アゾ]ベンゼンスルホン酸モノナトリウム塩)、リノール酸、リノレン酸、コロイド、リポソームおよびミセル網状構造物。 In general, micelles or reverse micelle immobilization materials may be polymers, ceramics, liposomes, or may be formed from other molecules that form micelles or reverse micelle structures. Exemplary micelles or reverse micelle immobilization materials are: perfluorosulfonic acid-polytetrafluoroethylene (PTFE) copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer) (Nafion or Flemion ), modified perfluoro Sulfonic acid-polytetrafluoroethylene (PTFE) copolymer (or modified perfluorinated ion exchange polymer) (modified Nafion or modified Flemion ), polysulfone, micelle polymer, block copolymer based on poly (ethylene oxide), microemulsion and / or Polymers produced from micellar polymerization and copolymers of alkyl methacrylate, alkyl acrylate and styrene. Other exemplary micelle or reverse micelle immobilization materials are: ceramic, sodium bis (2-ethylhexyl) sulfosuccinate, sodium dioctyl sulfosuccinate, lipid, phospholipid, sodium dodecyl sulfate, decyl Trimethylammonium bromide, tetradecyltrimethylammonium bromide, (4-[(2-hydroxyl-1-naphthalenyl) azo] benzenesulfonic acid monosodium salt), linoleic acid, linolenic acid, colloids, liposomes and micellar networks.

1つの態様において、好ましくは、ミセル固定化物質は、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(または変性パーフッ素化イオン交換ポリマー)(変性NafionTMまたは変性FlemionTM)膜である。パーフッ素化イオン交換ポリマー膜は、アンモニウム(NH4 )イオンより大きい疎水性陽イオンで変性されている。疎水性陽イオンは、いくつかの仕方で機能する。第一に、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(または変性パーフッ素化イオン交換ポリマー)(NafionTMまたはFlemionTM)膜を製造するために、パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)と疎水性陽イオンとを混合流延(mixture-casting)することによって、固定化物質を得、該固定化物質において、孔の大きさは、疎水性陽イオンの大きさに依存する。従って、疎水性陽イオンが大きいほど、孔の大きさは大きい。疎水性陽イオンのこの機能は、疎水性陽イオンの大きさを変化させることによって、特定酵素に適合するように孔の大きさを大きくしたり小さくしたりすることを可能にする。 In one embodiment, preferably the micelle immobilization material is a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or modified perfluorinated ion exchange polymer) (modified Nafion or modified Flemion ) membrane. Perfluorinated ion exchange polymer membranes have been modified with a hydrophobic cation that is larger than ammonium (NH 4 + ) ions. Hydrophobic cations function in several ways. First, to produce a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or modified perfluorinated ion exchange polymer) (Nafion or Flemion ) membrane, perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange). Polymer) and hydrophobic cations are mixed-casting to obtain an immobilization material, in which the pore size depends on the size of the hydrophobic cation. Therefore, the larger the hydrophobic cation, the larger the pore size. This function of the hydrophobic cation allows the pore size to be increased or decreased to suit a particular enzyme by changing the size of the hydrophobic cation.

さらに、パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)膜上の−SO3 基の対イオンとして、疎水性陽イオンと陽子とを交換することによって、疎水性陽イオンは、パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)膜の特性を変化させる。対イオンにおけるこの変化は、疎水性陽イオンが陽子よりかなり高い−SO3 部位への親和性を有するので、pHにおける緩衝作用を与える。この膜の緩衝作用は、溶液のpHの変化に伴って、孔のpHを実質的に変化させずに維持する。さらに、膜は、膜に固定化された酵素を保護する機械的バリアを与える。緩衝作用および機械的バリアの両方が、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)に固定化された酵素の安定性に有利に作用する。 In addition, by exchanging hydrophobic cations and protons as counter ions of the —SO 3 group on the perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer) membrane, the hydrophobic cation becomes Alter the properties of perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer) membranes. This change in counterion, the hydrophobic cations are considerably higher -SO 3 than protons - since having affinity to a site, providing a cushioning effect in pH. This buffering action of the membrane maintains the pore pH substantially unchanged as the solution pH changes. In addition, the membrane provides a mechanical barrier that protects the enzyme immobilized on the membrane. Both buffering and mechanical barriers favor the stability of the enzyme immobilized on the modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer).

下記の表は、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜の緩衝作用を示す。数値は、変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜1g当りの使用可能な陽子交換部位の数を表し、陽子に使用可能な交換部位の数が減少すると共に、固定化酵素に対する膜の緩衝能力が増加する。膜の略語は、下記の膜を意味する:NH4Bは、アンモニウムブロミド変性NafionTM膜であり;TMABrは、テトラメチルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜であり;TEABrは、テトラエチルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜であり;TPropABrは、テトラプロピルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜であり;TBABrは、テトラブチルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜であり;TpentABrは、テトラペンチルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜である。 The table below shows the buffering action of the modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane. The numbers represent the number of proton exchange sites available per gram of modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane, reducing the number of exchange sites available for protons and increasing the buffer capacity of the membrane for immobilized enzyme. To do. Membrane abbreviations refer to the following membranes: NH 4 B is an ammonium bromide modified Nafion membrane; TMABr is a tetramethylammonium bromide modified Nafion membrane; TEABr is a tetraethylammonium bromide modified Nafion membrane TPropABr is a tetrapropylammonium bromide modified Nafion membrane; TBABr is a tetrabutylammonium bromide modified Nafion membrane; TpentABr is a tetrapentylammonium bromide modified Nafion membrane.

Figure 0004878756
Figure 0004878756

変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)膜を調製するために、第一段階において、パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)、特にNafionTMの懸濁液と、疎水性陽イオンの溶液とを流延して、膜を形成する。過剰の疎水性陽イオンおよびそれらの塩を最初の膜から抽出した後、膜を再流延する。再流延した際に、膜はパーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)膜の−SO3 部位に関連した疎水性陽イオンを含有している。 In order to prepare a modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer) membrane, in the first step, perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer), especially Nafion A suspension and a solution of hydrophobic cation are cast to form a membrane. After excess hydrophobic cations and their salts are extracted from the initial membrane, the membrane is recast. When recast, the membrane contains a hydrophobic cation associated with the —SO 3 site of the perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorinated ion exchange polymer) membrane.

より安定かつ再現性のある第四級アンモニウム塩処理NafionTM膜を製造するために、過剰の臭化物塩を流延溶液から除去すべきである。この塩抽出膜は、過剰の臭化第四級アンモニウムおよびHBr塩を最初の膜から抽出した後に、混合流延膜を再流延することによって形成される。膜の塩抽出は、スルホン酸交換部位における第四級アンモニウム陽イオンの存在を維持するが、孔に捕捉されている場合があるかまたは平衡膜に空隙を生じうるコンプリケーション(complications)を過剰塩から除去する。塩抽出膜の化学的および物理的特性は、酵素固定化の前に、ボルタンメトリー、イオン交換力測定および蛍光顕微鏡検査法によって特性決定されている[3]。 To produce a more stable and reproducible quaternary ammonium salt treated Nafion membrane, excess bromide salt should be removed from the casting solution. This salt extraction membrane is formed by re-casting the mixed cast membrane after extracting excess quaternary ammonium bromide and HBr salts from the initial membrane. Membrane salt extraction maintains the presence of quaternary ammonium cations at the sulfonic acid exchange sites, but over-completions may be trapped in the pores or create voids in the equilibrium membrane. Remove from. The chemical and physical properties of salt extraction membranes have been characterized by voltammetry, ion exchange force measurements and fluorescence microscopy prior to enzyme immobilization [3].

例示できる疎水性陽イオンは以下のものである:アンモニウムに基づく陽イオン、第四級アンモニウム陽イオン、アルキルトリメチルアンモニウム陽イオン、アルキルトリエチルアンモニウム陽イオン、有機陽イオン、ホスホニウム陽イオン、トリフェニルホスホニウム、ピリジニウム陽イオン、イミダゾリウム陽イオン、ヘキサデシルピリジニウム、エチジウム、ビオロゲン、メチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン、ビス(トリフェニルホスフィン)イミニウム、金属錯体、ビピリジル金属錯体、フェナントロリンに基づく金属錯体、[Ru(ビピリジン)32+および[Fe(フェナントロリン)33+Illustrative hydrophobic cations are: ammonium-based cation, quaternary ammonium cation, alkyltrimethylammonium cation, alkyltriethylammonium cation, organic cation, phosphonium cation, triphenylphosphonium, Pyridinium cation, imidazolium cation, hexadecylpyridinium, ethidium, viologen, methyl viologen, benzyl viologen, bis (triphenylphosphine) iminium, metal complex, bipyridyl metal complex, metal complex based on phenanthroline, [Ru (bipyridine) 3 ] 2+ and [Fe (phenanthroline) 3 ] 3+ .

1つの態様において、大きい疎水性陽イオンがアンモニウムに基づく陽イオンであるのが好ましい。特に、大きい疎水性陽イオンは第四級アンモニウム陽イオンである。他の態様において、第四級アンモニウム陽イオンが下記式1で示される:

Figure 0004878756
In one embodiment, it is preferred that the large hydrophobic cation is an ammonium-based cation. In particular, large hydrophobic cations are quaternary ammonium cations. In other embodiments, the quaternary ammonium cation is represented by Formula 1 below:
Figure 0004878756

式中、R1、R2、R3およびR4は、独立に、水素、ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビルまたはヘテロシクロであり、R1、R2、R3およびR4の少なくとも1つは、水素以外のものである。他の態様において、好ましくは、R1、R2、R3およびR4は、独立に、水素、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチル、ヘキシル、ヘプチル、オクチル、ノニルまたはデシルであり、R1、R2、R3およびR4の少なくとも1つは水素以外のものである。さらに他の態様において、R1、R2、R3およびR4は、同じであり、メチル、エチル、プロピル、ブチル、ペンチルまたはヘキシルである。さらに他の態様において、好ましくは、R1、R2、R3およびR4はブチルである。 Wherein R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently hydrogen, hydrocarbyl, substituted hydrocarbyl or heterocyclo, and at least one of R 1 , R 2 , R 3 and R 4 is other than hydrogen Is. In other embodiments, preferably R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are independently hydrogen, methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl, hexyl, heptyl, octyl, nonyl or decyl, and R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are other than hydrogen. In yet other embodiments, R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are the same and are methyl, ethyl, propyl, butyl, pentyl or hexyl. In yet other embodiments, preferably R 1 , R 2 , R 3 and R 4 are butyl.

図4〜6は、pH7.15燐酸塩緩衝液中のNADおよび燃料流体の溶液で処理した種々の変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜に固定化した酵素の蛍光顕微鏡写真を示す。蛍光を示す蛍光顕微鏡写真は、特定の変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜に固定化した酵素が、固定化後もなお触媒的に活性な酵素であることを示す。これは、特定の固定化物質が酵素の触媒活性を維持しながら酵素を固定化し安定化させるかどうかを決定する1つの方法である。 FIGS. 4-6 show fluorescence micrographs of enzymes immobilized on various modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membranes treated with a solution of NAD + and fuel fluid in pH 7.15 phosphate buffer. Fluorescence micrographs showing fluorescence show that the enzyme immobilized on the specific modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane is still catalytically active after immobilization. This is one way of determining whether a particular immobilization material will immobilize and stabilize an enzyme while maintaining the catalytic activity of the enzyme.

第四級アンモニウム塩(例えば、テトラブチルアンモニウムブロミド)およびNafionTMの混合流延フィルムは、フィルムを通る小さい被検体の物質移動を増加させ、陰イオンに対する膜の選択性を減少させる[2]。これらの膜は、非変性Nafionに極めて類似した伝導性を有するが、膜における陽子に対する使用可能な交換部位の数を滴定することによって示されるように、陽子より臭化第四級アンモニウムに対してかなり高い選択性を有する。従って、これらのフィルムは類似した電気特性を有するが、極めて異なる酸/塩基特性を有する。処理膜は、広範囲の緩衝剤pHにおいて、中性pHを維持する。 Mixed cast films of quaternary ammonium salts (eg, tetrabutylammonium bromide) and Nafion increase the mass transport of small analytes through the film and reduce the selectivity of the membrane for anions [2]. These membranes have conductivities very similar to unmodified Nafion, but rather than protons to quaternary ammonium bromide than protons, as shown by titrating the number of usable exchange sites for protons in the membrane. It has a very high selectivity. Thus, these films have similar electrical properties but very different acid / base properties. The treated membrane maintains a neutral pH over a wide range of buffer pH.

B.バイオ燃料電池
本発明の種々の要旨の1つは、前記の固定化酵素を使用するバイオ燃料電池である。バイオ燃料電池において、アノードで生じる反応は、電子の同時放出を伴う燃料流体の酸化である;電子は、電気的結合によって、カソードに向かい、カソードにおいて酸化剤が水に還元される。本発明のバイオ燃料電池は、バイオ燃料電池の外部の電気負荷(electrical load)にエネルギー源(電気)を与える。燃料流体の酸化を促進するために、バイオアノードは、電子導体、電子メディエータ(補助因子としても既知)用の電気触媒(例えば、レドックスポリマー)、および酵素を含有する。電子メディエータは、電子を受容するかまたは電子を供与することができる化合物である。
B. Biofuel cell One of the various gist of the present invention is a biofuel cell using the above-mentioned immobilized enzyme. In biofuel cells, the reaction that occurs at the anode is the oxidation of the fuel fluid with the simultaneous emission of electrons; the electrons are directed to the cathode by electrical coupling, where the oxidant is reduced to water. The biofuel cell of the present invention provides an energy source (electricity) to an electrical load external to the biofuel cell. To facilitate the oxidation of the fuel fluid, the bioanode contains an electron conductor, an electrocatalyst for an electron mediator (also known as a cofactor) (eg, a redox polymer), and an enzyme. An electron mediator is a compound that can accept or donate electrons.

最初に、電子メディエータの酸化形態を、燃料流体および酵素と反応させて、燃料流体の酸化形態、および電子メディエータの還元形態を生成する。次にまたは同時に、電子メディエータの還元形態を、電気触媒の酸化形態と反応させて、電子メディエータの酸化形態、および電気触媒の還元形態を生成する。次に、電気触媒の還元形態をアノードで酸化し、電子を生成して、電気を発生させる。バイオアノードにおけるレドックス反応は、燃料流体の酸化以外は、可逆性であることができ、従って、酵素、電子メディエータおよび電気触媒は消費されない。電子メディエータを添加して付加的反応物を与えた場合、レドックス反応を任意に不可逆性にすることができる。   First, the oxidized form of the electron mediator is reacted with the fuel fluid and the enzyme to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator. Next or simultaneously, the reduced form of the electron mediator is reacted with an oxidized form of the electrocatalyst to produce an oxidized form of the electron mediator and a reduced form of the electrocatalyst. Next, the reduced form of the electrocatalyst is oxidized at the anode to generate electrons and generate electricity. The redox reaction at the bioanode can be reversible except for the oxidation of the fuel fluid, so that no enzymes, electron mediators and electrocatalysts are consumed. When an electron mediator is added to give an additional reactant, the redox reaction can optionally be made irreversible.

または、電子導体および酵素を使用することができ、その場合、非変性炭素基剤電極において、バイオアノードに接触する電子メディエータは、その酸化および還元形態の間で電子を移動させることができる。非変性炭素基剤電極において、電子メディエータがその酸化および還元形態の間で電子を移動させることができる場合、次の電気触媒と電子メディエータとの反応は必要ではなく、電子メディエータ自体が、アノードにおいて酸化して、電子、即ち電気を発生させる。   Alternatively, electron conductors and enzymes can be used, in which case, at a non-modified carbon-based electrode, an electron mediator that contacts the bioanode can transfer electrons between its oxidized and reduced forms. In an unmodified carbon-based electrode, if the electron mediator can transfer electrons between its oxidized and reduced forms, the reaction of the next electrocatalyst with the electron mediator is not necessary, and the electron mediator itself is at the anode. Oxidizes to generate electrons, or electricity.

本発明のバイオ燃料電池は、バイオアノードおよびカソードを有する。電子の放出がバイオアノードにおいて起こり、酸化剤の還元がカソードにおいて起こり、電気負荷はバイオアノードとカソードの間に配置する。   The biofuel cell of the present invention has a bioanode and a cathode. Electron emission occurs at the bioanode, oxidant reduction occurs at the cathode, and an electrical load is placed between the bioanode and the cathode.

1.バイオアノード
一般に、バイオアノードは、燃料流体の酸化を行なう成分を有し、そこで、電子が放出されて、外部電気負荷に向けられる。電気負荷は、電子を使用するデバイスである。外部電気負荷はカソードと接触し、該カソードにおいて酸化剤が還元される。電気的結合による、燃料流体からバイオアノード、電気負荷およびカソードへのこの電子の流れは、電気負荷にエネルギー源(電気)を与える。
1. Bioanode In general, a bioanode has a component that oxidizes a fuel fluid where electrons are emitted and directed to an external electrical load. An electrical load is a device that uses electrons. An external electrical load is in contact with the cathode where the oxidant is reduced. This flow of electrons from the fuel fluid to the bioanode, electrical load and cathode by electrical coupling provides an energy source (electricity) to the electrical load.

1つの態様において、バイオアノードは、電子導体、および酵素固定化物質に固定化された酵素を含んで成る。他の態様において、バイオアノードは、任意に、電子メディエータ用の電気触媒をさらに含んで成る。電子導体において可逆性レドックス反応を受けることができる電子メディエータにバイオアノードが接触している場合、電気触媒はバイオアノードに存在しなくてよい。バイオアノードの前記成分は互いに近接し、これは、それらが適切な手段によって物理的または化学的に結合していることを意味する。1つの態様において、成分を、それらの間の電気的結合によって溶液に配置することによって、物理的および化学的に結合させる。他の態様において、個々の成分を電子導体に被覆するかそうでなければ付着させることによって、成分を物理的に結合させるのが好ましい。成分は、例えば層において、別々に付着させるか、または1つの付着層に組み込むことができる。   In one embodiment, the bioanode comprises an electron conductor and an enzyme immobilized on an enzyme immobilization material. In other embodiments, the bioanode optionally further comprises an electrocatalyst for the electron mediator. If the bioanode is in contact with an electron mediator capable of undergoing a reversible redox reaction in the electron conductor, the electrocatalyst may not be present in the bioanode. The components of the bioanode are in close proximity to each other, meaning that they are physically or chemically bound by appropriate means. In one embodiment, the components are physically and chemically coupled by placing them in solution by electrical coupling between them. In other embodiments, it is preferred to physically bond the components by coating or otherwise attaching the individual components to the electronic conductor. The components can be deposited separately, for example in layers, or incorporated into one deposition layer.

a.電子導体
電子導体は、電子を伝導する物質である。電子導体は、物質中に電子を伝導することができる限りは、性質において無機であっても有機であってもよい。電子導体は、炭素系物質、金属性導体、半導体、金属酸化物または変性導体であってよい。
a. Electron Conductor An electron conductor is a substance that conducts electrons. The electron conductor may be inorganic or organic in nature as long as it can conduct electrons into the material. The electron conductor may be a carbonaceous material, a metallic conductor, a semiconductor, a metal oxide or a modified conductor.

特に好適な電子導体は、炭素系物質である。例示的な炭素系物質は、以下のものである:カーボン布、カーボン紙、カーボンスクリーン印刷電極、カーボン紙(Toray)、カーボン紙(ELAT)、カーボンブラック(Vulcan XC-72, E-tek)、カーボンブラック、炭素粉末、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイヤモンド被覆導体、ガラス状カーボンおよびメソポーラスカーボン。さらに、他の例示的な炭素系物質は、グラファイト、非圧縮グラファイトワーム、離層精製フレークグラファイト(SuperiorTMグラファイト)、高性能グラファイトおよび炭素粉末(Formula BTTM 、SuperiorTMグラファイト)、高規則熱分解性グラファイト、熱分解グラファイトおよび多結晶質グラファイト。 Particularly suitable electron conductors are carbon-based materials. Exemplary carbon-based materials are: carbon cloth, carbon paper, carbon screen printed electrode, carbon paper (Toray), carbon paper (ELAT), carbon black (Vulcan XC-72, E-tek), Carbon black, carbon powder, carbon fiber, single-walled carbon nanotube, double-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanotube array, diamond-coated conductor, glassy carbon and mesoporous carbon. In addition, other exemplary carbonaceous materials include graphite, uncompressed graphite worms, delaminated flake graphite (Superior TM graphite), high performance graphite and carbon powder (Formula BT TM , Superior TM graphite), highly ordered pyrolysis Graphite, pyrolytic graphite and polycrystalline graphite.

さらに他の態様において、電子導体を金属性導体から製造することができ、好適な電子導体を、金、白金、鉄、ニッケル、銅、銀、ステンレス鋼、水銀、タングステンおよび電極構成に好適な他の金属から製造することができる。さらに、金属性導体である電子導体を、コバルト、ダイヤモンドおよび他の好適な金属から製造したナノ粒子から構成することができる。他の金属性電子導体は、銀メッキニッケルスクリーン印刷電極であってよい。   In still other embodiments, the electronic conductor can be manufactured from a metallic conductor, and suitable electronic conductors include gold, platinum, iron, nickel, copper, silver, stainless steel, mercury, tungsten, and others suitable for electrode configurations. Can be made from any metal. Furthermore, electronic conductors that are metallic conductors can be composed of nanoparticles made from cobalt, diamond, and other suitable metals. The other metallic electronic conductor may be a silver plated nickel screen printed electrode.

さらに、電子導体は、半導体であってもよい。好適な半導体は、シリコンおよびゲルマニウムから製造され、他の成分をドーピングすることができる。半導体は、燐、硼素、ガリウム、砒素、インジウムまたはアンチモン、またはそれらの組合せをドーピングすることができる。   Furthermore, the electronic conductor may be a semiconductor. Suitable semiconductors are made from silicon and germanium and can be doped with other components. The semiconductor can be doped with phosphorus, boron, gallium, arsenic, indium or antimony, or combinations thereof.

他の電子導体は、金属酸化物、金属硫化物、主族元素化合物、および電子導体で変性された物質であってよい。この種の例示的電子導体は、以下のものである:ナノポーラス酸化チタン、酸化錫被覆ガラス、酸化セリウム粒子、硫化モリブデン、窒化硼素ナノチューブ、炭素のような導電性物質で変性したエーロゲル、炭素のような導電性物質で変性したゾルゲル、ルテニウム炭素エーロゲル、および炭素のような導電性物質で変性したメソポーラスシリカ。   Other electron conductors may be metal oxides, metal sulfides, main group element compounds, and materials modified with electron conductors. Exemplary electronic conductors of this type are: nanoporous titanium oxide, tin oxide coated glass, cerium oxide particles, molybdenum sulfide, boron nitride nanotubes, aerogels modified with conductive materials such as carbon, such as carbon Sol gel modified with a conductive material, ruthenium carbon aerogel, and mesoporous silica modified with a conductive material such as carbon.

他の態様において、電子導体は、2つ以上の成分を有し、第一成分はカーボン布であってよく、第二成分は前記の電子導体であってよい。第二電子導体をカーボン布に付着させ、その2つの結合体が電子導体を構成する。   In other embodiments, the electronic conductor has two or more components, the first component may be a carbon cloth, and the second component may be the electronic conductor described above. A second electronic conductor is attached to the carbon cloth, and the two combinations constitute an electronic conductor.

他の態様において、下記のセクションB.1.cに記載のように、電子導体を、非圧縮(GATTMエキスパンデッド(expanded)、Superior Graphite Co.)グラファイトワームから構成する。 In other embodiments, the electronic conductor is composed of an uncompressed (GAT expanded, Superior Graphite Co.) graphite worm, as described in Section B.1.c below.

b.電子メディエータ
電子メディエータは、電子を受容または供与することができる化合物である。換言すれば、電子メディエータは、電子を受容して還元形態を形成することができる酸化形態を有し、還元形態は電子を供与して酸化形態を形成することができる。電子メディエータは、固定化物質に拡散することができ、そして/または固定化物質に組み込むことができる化合物である。
b. Electron Mediator An electron mediator is a compound that can accept or donate electrons. In other words, the electron mediator has an oxidized form that can accept electrons to form a reduced form, and the reduced form can donate electrons to form an oxidized form. An electron mediator is a compound that can diffuse into and / or be incorporated into an immobilization material.

1つの態様において、電子メディエータの拡散係数を最大化する。換言すれば、電子メディエータの還元形態の物質移動をできる限り速くする。電子メディエータの速い物質移動は、それが使用されるバイオ燃料電池の、より大きい回路電位差および電力密度を可能にする。   In one embodiment, the diffusion coefficient of the electron mediator is maximized. In other words, the mass transfer of the reduced form of the electron mediator is made as fast as possible. The fast mass transfer of the electron mediator allows for greater circuit potential difference and power density of the biofuel cell in which it is used.

例示できる電子メディエータは、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドホスフェート(NADP)またはピロロキノリンキノン(PQQ)またはそれぞれの等価物である。他の例示できる電子メディエータは、フェナジンメトスルフェート、ジクロロフェノールインドフェノール、短鎖ユビキノンおよびフェリシアン化カリウムである。 Exemplary electron mediators are nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ), flavin adenine dinucleotide (FAD), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP) or pyrroloquinoline quinone (PQQ) or their equivalents. Other exemplary electron mediators are phenazine methosulfate, dichlorophenolindophenol, short chain ubiquinone and potassium ferricyanide.

1つの態様において、電子メディエータは、電子導体において、単独でレドックス反応を受けることができない。この態様において、バイオアノードが、電子導体における電子の放出を促進する電子メディエータ用の電気触媒を含んで成る。   In one embodiment, the electron mediator cannot undergo a redox reaction alone in the electron conductor. In this embodiment, the bioanode comprises an electrocatalyst for an electron mediator that promotes the emission of electrons in the electron conductor.

他の態様において、標準還元電位差0.0V±0.5Vを有する可逆性レドックスカップル(couple)を、電子メディエータとして使用する。従って、電子導体表面に可逆性電気化学を与える電子メディエータを使用することができる。電子メディエータは、電子メディエータに依存する天然酵素、電子メディエータに依存して変性された酵素、または電子メディエータに依存する合成酵素に結合する。電子導体表面に可逆性電気化学を与える電子メディエータの例は、ピロロキノリンキノン(PQQ)、フェナジンメトスルフェート、ジクロロフェノールインドフェノール、短鎖ユビキノンおよびフェリシアン化カリウムである。1つの態様において、バイオアノードと共に使用される電子メディエータがPQQであるのが好ましい。電子導体表面に可逆性電気化学を与える電子メディエータの能力により、この種の電子メディエータのレドックス反応を触媒する電気触媒を必要としない。   In another embodiment, a reversible redox couple having a standard reduction potential difference of 0.0V ± 0.5V is used as the electron mediator. Therefore, an electron mediator that gives reversible electrochemistry to the surface of the electron conductor can be used. The electron mediator binds to a natural enzyme dependent on the electron mediator, an enzyme modified depending on the electron mediator, or a synthetic enzyme dependent on the electron mediator. Examples of electron mediators that impart reversible electrochemistry to the electron conductor surface are pyrroloquinoline quinone (PQQ), phenazine methosulfate, dichlorophenol indophenol, short chain ubiquinone and potassium ferricyanide. In one embodiment, it is preferred that the electron mediator used with the bioanode is PQQ. The ability of the electron mediator to provide reversible electrochemistry on the surface of the electron conductor eliminates the need for an electrocatalyst that catalyzes the redox reaction of this type of electron mediator.

c.電子メディエータ用の電気触媒
一般に、電気触媒は、電子導体における電子の放出を促進する物質である。換言すれば、電気触媒は、電子メディエータの還元または酸化の反応速度を増加させ、それによって、電子メディエータの還元または酸化が、より低い還元電位差において生じうる。電気触媒は、アノードにおいて可逆的に酸化して、電子、即ち電気を発生させることができる。電気触媒が電子導体に近接している場合、電気触媒および電子導体は互いに電気的接触しているが、必ずしも互いに物理的接触していない。1つの態様において、電子導体は、電子メディエータ用の電気触媒と結びついているかまたは近接している。
c. Electrocatalysts for electron mediators Generally, electrocatalysts are substances that promote the emission of electrons in an electron conductor. In other words, the electrocatalyst increases the reaction rate of the reduction or oxidation of the electron mediator, whereby the reduction or oxidation of the electron mediator can occur at a lower reduction potential difference. The electrocatalyst can be reversibly oxidized at the anode to generate electrons, ie electricity. When the electrocatalyst is in close proximity to the electronic conductor, the electrocatalyst and the electronic conductor are in electrical contact with each other, but not necessarily in physical contact with each other. In one embodiment, the electron conductor is associated with or in close proximity to an electrocatalyst for the electron mediator.

一般に、電気触媒は、アジン、導電性ポリマーまたは電気活性ポリマーであってよい。例示できる電気触媒は以下のものである:メチレングリーン、メチレンブルー、ルミノール、ニトロ−フルオレノン誘導体、アジン、オスミウムフェナントロリンジオン、カテコール−ペンダントテルピリジン、トルエンブルー、クレシルブルー、ナイルブルー、ニュートラルレッド、フェナジン誘導体、チオニン、アズールA、アズールB、トルイジンブルーO、アセトフェノン、メタロフタロシアニン、ナイルブルーA、変性遷移金属リガンド、1,10−フェナントロリン−5,6−ジオン、1,10−フェナントロリン−5,6−ジオール、[Re(フェン−ジオン)(CO)3Cl]、[Re(フェン−ジオン)3](PF62、ポリ(メタロフタロシアニン)、ポリ(チオニン)、キノン、ジイミン、ジアミノベンゼン、ジアミノピリジン、フェノチアジン、フェノキサジン、トルイジンブルー、ブリリアントクレシルブルー、3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド、ポリ(アクリル酸)、ポリ(アズールI)、ボリ(ナイルブルーA)、ポリ(メチレングリーン)、ポリ(メチレンブルー)、ポリアニリン、ポリピリジン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(チエノ[3,4−b]チオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシピロール)、ポリ(イソチアナフテン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(ジフルオロアセチレン)、ポリ(4−ジシアノメチレン−4H−シクロペンタ[2,1−b;3,4−b']ジチオフェン)、ポリ(3−(4−フルオロフェニル)チオフェン)およびポリ(ニュートラルレッド)。 In general, the electrocatalyst may be an azine, a conductive polymer or an electroactive polymer. Examples of electrocatalysts are: methylene green, methylene blue, luminol, nitro-fluorenone derivatives, azine, osmium phenanthrolinedione, catechol-pendant terpyridine, toluene blue, cresyl blue, nile blue, neutral red, phenazine derivatives, thionine , Azure A, Azure B, Toluidine Blue O, Acetophenone, Metallophthalocyanine, Nile Blue A, Modified transition metal ligand, 1,10-phenanthroline-5,6-dione, 1,10-phenanthroline-5,6-diol, [ Re (phen-dione) (CO) 3 Cl], [Re (phen-dione) 3 ] (PF 6 ) 2 , poly (metallophthalocyanine), poly (thionine), quinone, diimine, diaminobenzene, diaminopyridine, phenothiazine , Fenoki Sajin, toluidine blue, brilliant cresyl blue, 3,4-dihydroxybenzaldehyde, poly (acrylic acid), poly (azul I), poly (nile blue A), poly (methylene green), poly (methylene blue), polyaniline, polypyridine , Polypyrrole, polythiophene, poly (thieno [3,4-b] thiophene), poly (3-hexylthiophene), poly (3,4-ethylenedioxypyrrole), poly (isothianaphthene), poly (3,4 -Ethylenedioxythiophene), poly (difluoroacetylene), poly (4-dicyanomethylene-4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b '] dithiophene), poly (3- (4-fluorophenyl) Thiophene) and poly (neutral red).

他の態様において、好ましくは、電子導体が非圧縮グラファイトワームから成り、それは、組み立ての前に、電子メディエータ用の電気触媒(またはレドックスポリマー)、特にメチレングリーンで処理され、液圧プレスのような従来手段によって所望の形にプレスされる。電子導体のプレス条件は、充分な厚みの軟質材料を生じるように最適化された。電子導体の圧縮後に、メチレングリーンの溶液中でサイクリックボルタンメトリーによってメチレングリーンを重合させた。電子導体を洗浄し、乾燥した後、最終物質をカーボン布に付着させた。   In another embodiment, preferably the electronic conductor consists of an uncompressed graphite worm, which is treated with an electrocatalyst (or redox polymer) for an electronic mediator, in particular methylene green, before assembly, such as a hydraulic press. It is pressed into the desired shape by conventional means. The electronic conductor pressing conditions were optimized to produce a soft material of sufficient thickness. After compression of the electron conductor, methylene green was polymerized by cyclic voltammetry in a solution of methylene green. After the electronic conductor was washed and dried, the final material was adhered to the carbon cloth.

d.酵素
酵素は、燃料流体の酸化を触媒するのに必要である。一般に、前記の酵素を使用することができる。バイオアノードに使用される例示できる酵素は、オキシドレダクターゼである。1つの態様において、オキシドレダクターゼが、供与体のCH−OH基またはCH−NH基に作用するのが好ましい。
d. Enzymes are required to catalyze the oxidation of fuel fluids. In general, the aforementioned enzymes can be used. An exemplary enzyme used in the bioanode is oxidoreductase. In one embodiment, it is preferred that the oxidoreductase acts on the CH—OH or CH—NH group of the donor.

他の態様において、酵素がデヒドロゲナーゼであるのが好ましい。他の態様において、酵素が以下のものである:アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、ラクトースデヒドロゲナーゼまたはピルビン酸デヒドロゲナーゼ。さらに他の態様において、酵素がアルコールデヒドロゲナーゼであるのがより好ましい。さらに他の態様において、酵素がPQQ依存性デヒドロゲナーゼである。   In other embodiments, it is preferred that the enzyme is a dehydrogenase. In other embodiments, the enzyme is: alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase, glucose oxidase, lactate dehydrogenase, lactose dehydrogenase or pyruvate dehydrogenase. In yet another embodiment, it is more preferred that the enzyme is alcohol dehydrogenase. In yet other embodiments, the enzyme is a PQQ-dependent dehydrogenase.

e.酵素固定化物質
酵素固定化物質がバイオ燃料電池に使用される。1つの態様において、酵素固定化物質は、燃料流体透過性であり、酵素を固定化し、安定化させる。前記の酵素固定化物質は、それらが燃料流体透過性である場合に、バイオ燃料電池の態様に使用することができる。固定化物質は、燃料流体透過性であり、それによって、燃料の酸化反応を固定化酵素によって触媒することができる。換言すれば、固定化物質は、それを通る燃料流体の移動を可能にし、それによって、燃料が固定化物質上またはその中に固定化された酵素に接触することができる。固定化物質は、内部孔、管路、開口部またはそれらの組合せを有するように調製することができ、それらは固定化物質を通る燃料流体の移動を可能にし、しかも固定化物質内の実質的に同じスペースに酵素を拘束する。
e. Enzyme immobilization material Enzyme immobilization material is used in biofuel cells. In one embodiment, the enzyme immobilization material is fuel fluid permeable and immobilizes and stabilizes the enzyme. The enzyme immobilization materials can be used in biofuel cell embodiments when they are fuel fluid permeable. The immobilization material is permeable to the fuel fluid, so that the oxidation reaction of the fuel can be catalyzed by the immobilized enzyme. In other words, the immobilization material allows movement of the fuel fluid therethrough, thereby allowing the fuel to contact the enzyme immobilized on or within the immobilization material. The immobilization material can be prepared to have internal pores, conduits, openings or combinations thereof that allow for movement of the fuel fluid through the immobilization material and substantially within the immobilization material. Restrain the enzyme in the same space.

他の態様において、酵素を固定化物質の孔に配置し、燃料流体が輸送管路を通って固定化物質に流入したり流出したりするのが好ましい。孔および輸送管路の相対サイズは、孔は酵素を固定化するのに充分に大きいが、輸送管路は酵素がそれを通るには小さすぎるようにすることができる。他の態様において、輸送管路が少なくとも約10nmの直径を有するのが好ましい。さらに他の態様において、孔/輸送管路の直径の比率は、少なくとも約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1またはそれ以上である。さらに他の態様において、輸送管路が少なくとも約10nmの直径を有し、孔/輸送管路の直径の比率が少なくとも約2:1、2.5:1、3:1、3.5:1、4:1、4.5:1、5:1、5.5:1、6:1、6.5:1、7:1、7.5:1、8:1、8.5:1、9:1、9.5:1、10:1またはそれ以上であるのが好ましい。   In other embodiments, it is preferred that the enzyme be placed in the pores of the immobilization material so that the fuel fluid flows in and out of the immobilization material through the transport line. The relative size of the pores and the transport line can be such that the holes are large enough to immobilize the enzyme, but the transport line is too small for the enzyme to pass through it. In other embodiments, it is preferred that the transport line has a diameter of at least about 10 nm. In yet other embodiments, the pore / transport conduit diameter ratio is at least about 2: 1, 2.5: 1, 3: 1, 3.5: 1, 4: 1, 4.5: 1, 5: 1, 5.5: 1. 6: 1, 6.5: 1, 7: 1, 7.5: 1, 8: 1, 8.5: 1, 9: 1, 9.5: 1, 10: 1 or more. In still other embodiments, the transport conduit has a diameter of at least about 10 nm and the pore / transport conduit diameter ratio is at least about 2: 1, 2.5: 1, 3: 1, 3.5: 1, 4: 1. , 4.5: 1, 5: 1, 5.5: 1, 6: 1, 6.5: 1, 7: 1, 7.5: 1, 8: 1, 8.5: 1, 9: 1, 9.5: 1, 10: 1 or more The above is preferable.

f.バイオアノード態様
他の態様において、バイオアノードが、電子メディエータ用の電気触媒を電子導体に吸着、重合または共有結合させることによって変性された電子導体から成るのが好ましい。この態様は、電子導体の表面積を増加させるという利点を有する。構成の前に、電子導体の表面に電気触媒を吸着させ、次に、電気触媒を化学または電気化学重合させることによる電子導体の処理は、非処理電子導体と比較して、より高い触媒活性を与える。
f. Bioanode Embodiment In another embodiment, it is preferred that the bioanode comprises an electron conductor modified by adsorbing, polymerizing or covalently bonding an electrocatalyst for an electron mediator to the electron conductor. This embodiment has the advantage of increasing the surface area of the electronic conductor. Prior to construction, treatment of the electron conductor by adsorbing the electrocatalyst on the surface of the electron conductor and then chemically or electrochemically polymerizing the electrocatalyst has a higher catalytic activity compared to the untreated electron conductor. give.

他の態様において、バイオアノードが、構成の前にメチレングリーンで処理され、液圧プレスで所望の形にプレスされた非圧縮グラファイトワームから成る電子導体から成るのがより好ましい。電子導体をプレスした後、メチレングリーンの溶液中でのサイクリックボルタンメトリーによって、メチレングリーンを重合させた。電子導体を洗浄し、乾燥した後、最終物質をカーボン布に付着させて、電子導体を完成させた。次に、TBAB変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはTBAB変性パーフッ素化イオン交換ポリマー)膜を製造するために、テトラブチルアンモニウムブロミド(TBAB)で変性したパーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはパーフッ素化イオン交換ポリマー)膜を、前記および実施例に記載のように調製した。再流延の後に、酵素を溶液に添加した。固定化酵素を含有するこのTBAB変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(またはTBAB変性パーフッ素化イオン交換ポリマー)膜を、電子導体にピペットで移し、そして/または塗り、乾燥させた。   In other embodiments, it is more preferred that the bioanode consist of an electronic conductor consisting of an uncompressed graphite worm that has been treated with methylene green prior to construction and pressed into the desired shape with a hydraulic press. After pressing the electron conductor, methylene green was polymerized by cyclic voltammetry in a solution of methylene green. After the electronic conductor was washed and dried, the final material was adhered to the carbon cloth to complete the electronic conductor. Next, in order to produce a TBAB-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or TBAB-modified perfluorinated ion exchange polymer) membrane, a perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer) modified with tetrabutylammonium bromide (TBAB) is used. An ionized ion exchange polymer) membrane was prepared as described above and in the Examples. After recasting, the enzyme was added to the solution. This TBAB-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (or TBAB-modified perfluorinated ion exchange polymer) membrane containing immobilized enzyme was pipetted onto and / or painted and dried on an electronic conductor.

1つの態様において、バイオアノードおよびカソードを、膜電極アセンブリ(MEA)に構成するのが好ましい。この態様において、カソードは、一般的なカソード、例えば白金添加(片面または二面添加)ガス拡散電極、または下記のようなバイオカソードであってよい。一般に、カソードを下に配置し、一枚のパーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜をカソードの上に配置し、バイオアノードを膜の上に配置した。全体を、液圧プレスの発熱体の間に配置した;圧力を加え、それによってプレスの上および下プレートが接触し始め、次に、プレスを加熱し、最後に、より大きい圧力を加えた。または、下記以外は前記と同様にして、MEAを組み立てることもできる:バイオアノードと一枚のパーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜との間、およびカソードと一枚のパーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜との間に、数滴の液体パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜または変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜を適用し、加熱せずに前記のようにプレスした。   In one embodiment, the bioanode and cathode are preferably configured in a membrane electrode assembly (MEA). In this embodiment, the cathode may be a common cathode, such as a platinum doped (single or double doped) gas diffusion electrode, or a biocathode as described below. In general, the cathode was placed below, a sheet of perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer was placed on the cathode, and the bioanode was placed on the membrane. The whole was placed between the heating elements of the hydraulic press; pressure was applied thereby causing the top and bottom plates of the press to come into contact, then the press was heated and finally more pressure was applied. Alternatively, the MEA can be assembled in the same manner as described above except between: the bioanode and one perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane, and the cathode and one perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane. A few drops of liquid perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane or modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane was applied and pressed as described above without heating.

他の態様において、電子メディエータを酵素に物理的に結合させることができる。物理的結合は、電子メディエータと酵素との共有結合またはイオン結合であってよい。さらに他の態様において、電子メディエータが電子導体において可逆性電気化学である場合、電子メディエータは酵素に物理的に結合することができ、電子メディエータは電子導体にも物理的に結合することができる。   In other embodiments, the electron mediator can be physically linked to the enzyme. The physical bond may be a covalent bond or an ionic bond between the electron mediator and the enzyme. In yet another aspect, when the electron mediator is reversible electrochemical at the electron conductor, the electron mediator can be physically bound to the enzyme, and the electron mediator can be physically bound to the electron conductor.

さらに他の態様において、電子メディエータを固定化物質に固定する。さらに他の態様において、酸化NADを、陽イオン変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(陽イオン変性NafionTM)膜に固定化するのが好ましい。燃料流体を電池に添加した後、NADをNADHに還元し、NADHは陽イオン変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー(陽イオン変性NafionTM)膜に拡散することができる。 In yet another embodiment, the electron mediator is immobilized on an immobilization material. In yet another embodiment, oxidized NAD + is preferably immobilized on a cation-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (cation-modified Nafion ) membrane. After the fuel fluid is added to the cell, NAD + is reduced to NADH, which can diffuse into the cation-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer (cation-modified Nafion ) membrane.

他の態様において、本発明は、デヒドロゲナーゼ酵素を、塩抽出テトラブチルアンモニウム/パーフッ素化イオン交換ポリマー膜(例えば、NafionTM膜またはFlemionTM膜[旭硝子株式会社、東京])に固定化することを含む。塩抽出ポリマー懸濁液は中性であり、緩衝酵素溶液をこの懸濁液に添加することができる。混合物をアノードに流延して、変性電極を形成することができ、酵素を電極表面の近くに固定化する。 In other embodiments, the present invention provides for immobilizing a dehydrogenase enzyme to a salt extracted tetrabutylammonium / perfluorinated ion exchange polymer membrane (eg, Nafion membrane or Flemion membrane [Asahi Glass Co., Tokyo]). Including. The salt extraction polymer suspension is neutral and a buffered enzyme solution can be added to this suspension. The mixture can be cast onto the anode to form a modified electrode, immobilizing the enzyme near the electrode surface.

他の態様において、本発明は、ポリマーのミセルに中性pHを生じる変性、および変性パーフッ素化イオン交換ポリマーのミセルに組み込まれている1つまたはそれ以上の酵素を含んで成るパーフッ素化イオン交換ポリマーに関する。好ましいパーフッ素化イオン交換ポリマーは、NafionTMポリマーである。好ましい酵素は、有機燃料の酸化および補助因子の還元を触媒するデヒドロゲナーゼのようなレドックス酵素である。補助因子は、NAD、NADPおよびFADを包含する。 In another embodiment, the present invention relates to a perfluorinated ion comprising a modification that produces a neutral pH in the micelle of the polymer and one or more enzymes incorporated into the micelle of the modified perfluorinated ion exchange polymer. Relates to exchange polymers. A preferred perfluorinated ion exchange polymer is a Nafion polymer. Preferred enzymes are redox enzymes such as dehydrogenases that catalyze the oxidation of organic fuels and cofactor reduction. Cofactors include NAD + , NADP + and FAD.

1つの態様において、本発明は、バイオアノードおよびカソードを含んで成る燃料電池であって、バイオアノードが、レドックスポリマーフィルム、変性イオン交換ポリマー膜およびデヒドロゲナーゼを含んで成る燃料電池に関する。デヒドロゲナーゼは、変性イオン交換ポリマー膜のミセル区画に組み込まれる。好ましくは、変性イオン交換ポリマー膜は、塩抽出第四級アンモニウムで処理されたパーフッ素化イオン交換ポリマーである。商業的に入手可能なパーフッ素化イオン交換ポリマーは、NafionTM(DuPont)およびFlemionTM(旭硝子株式会社)を包含する。好ましくは、パーフッ素化イオン交換ポリマーは、NafionTMポリマーまたはFlemionTMポリマーである。好ましい第四級アンモニウム塩は、テトラブチルアンモニウムブロミドを包含する。好ましいレドックスポリマーフィルムは、ポリメチレングリーンである。バイオアノードは、2つ以上の異なるデヒドロゲナーゼ、例えば、アルコールデヒドロゲナーゼおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼを含んで成ってもよい。 In one embodiment, the present invention relates to a fuel cell comprising a bioanode and a cathode, wherein the bioanode comprises a redox polymer film, a modified ion exchange polymer membrane and a dehydrogenase. Dehydrogenase is incorporated into the micellar compartment of the modified ion exchange polymer membrane. Preferably, the modified ion exchange polymer membrane is a perfluorinated ion exchange polymer treated with a salt extracted quaternary ammonium. Commercially available perfluorinated ion exchange polymers include Nafion (DuPont) and Flemion (Asahi Glass Co., Ltd.). Preferably, the perfluorinated ion exchange polymer is a Nafion polymer or a Flemion polymer. Preferred quaternary ammonium salts include tetrabutylammonium bromide. A preferred redox polymer film is polymethylene green. The bioanode may comprise two or more different dehydrogenases, such as alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase.

2.燃料流体
燃料流体は、電子メディエータと固定化酵素との酸化反応において消費される。燃料流体サイズは、固定化物質への拡散係数を大きくするのに充分に小さい。例示できる燃料流体は以下のものである:水素、アンモニア、アルコール(例えば、メタノール、エタノール、プロパノール、イソブタノール、ブタノールおよびイソプロパノール)、アリルアルコール、アリールアルコール、グリセロール、プロパンジオール、マンニトール、グルクロネート、アルデヒド、炭水化物(例えば、グルコース、グルコース−1、D−グルコース、L−グルコース、グルコース−6−ホスフェート、ラクテート、ラクテート−6−ホスフェート、D−ラクテート、L−ラクテート、フルクトース、ガラクトース−1、ガラクトース、アルドース、ソルボースおよびマンノース)、グリセレート、補酵素A、アセチルCo−A、マレート、イソシトレート、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、アセテート、シトレート、L−グルコネート、β−ヒドロキシステロイド、α−ヒドロキシステロイド、ラクトアルデヒド、テストステロン、グルコネート、脂肪酸、脂質、ホスホグリセレート、レチナール、エストラジオール、シクロペンタノール、ヘキサデカノール、長鎖アルコール、コニフェリル−アルコール、シンナミル−アルコール、ホルメート、長鎖アルデヒド、ピルベート、ブタナール、アシル−CoA、ステロイド、アミノ酸、フラビン、NADH、NADH2、NADPH、NADPH2および水素。
2. Fuel fluid Fuel fluid is consumed in the oxidation reaction between the electron mediator and the immobilized enzyme. The fuel fluid size is small enough to increase the diffusion coefficient into the immobilized material. Illustrative fuel fluids are: hydrogen, ammonia, alcohol (eg, methanol, ethanol, propanol, isobutanol, butanol and isopropanol), allyl alcohol, aryl alcohol, glycerol, propanediol, mannitol, glucuronate, aldehyde, Carbohydrates (e.g. glucose, glucose-1, D-glucose, L-glucose, glucose-6-phosphate, lactate, lactate-6-phosphate, D-lactate, L-lactate, fructose, galactose-1, galactose, aldose, Sorbose and mannose), glycerate, coenzyme A, acetyl Co-A, malate, isocitrate, formaldehyde, acetaldehyde, acetate, citrate, L-glu Conate, β-hydroxy steroid, α-hydroxy steroid, lactaldehyde, testosterone, gluconate, fatty acid, lipid, phosphoglycerate, retinal, estradiol, cyclopentanol, hexadecanol, long chain alcohol, coniferyl-alcohol, cinnamyl-alcohol , formate, long chain aldehydes, pyruvate, butanal, acyl-CoA, steroids, amino acids, flavin, NADH, NADH 2, NADPH, NADPH 2 and hydrogen.

他の態様において、好ましくは、燃料流体はアルコールであり、より好ましくはメタノールおよびエタノール、特にエタノールである。   In other embodiments, preferably the fuel fluid is an alcohol, more preferably methanol and ethanol, especially ethanol.

3.カソード
カソードは、一般的なカソードまたはバイオカソードである。一般的なカソードにおいて、カソードは白金に基づき、空気にさらされ、酸化剤を還元する。一般的なカソードを使用する場合、それは、塩橋によってアノードから離される。塩橋は種々の形態をとることができ、イオンがアノードとカソードの間を移動することを可能にする物質である。1つの態様において、塩橋がポリマー電解質膜(PEM)であるのが好ましい。
3. The cathode cathode is a common cathode or biocathode. In a typical cathode, the cathode is based on platinum and is exposed to air to reduce the oxidant. If a common cathode is used, it is separated from the anode by a salt bridge. Salt bridges can take a variety of forms and are materials that allow ions to move between the anode and the cathode. In one embodiment, it is preferred that the salt bridge is a polymer electrolyte membrane (PEM).

1つの態様において、燃料電子は、前記のバイオアノードおよびバイオカソードを含んで成ってよく、該バイオカソードは、第二レドックスポリマーフィルム、第二変性イオン交換ポリマー膜およびO2−レダクターゼを含んで成る。第二変性イオン交換ポリマー膜は塩抽出第四級アンモニウム処理NafionTMポリマーであってよく、第二レドックスポリマーフィルムはポリ(N−ビニル−イミダゾール)であってよく、O2−レダクダーゼはラッカーゼであってよい。バイオ燃料電池がバイオアノードおよびバイオカソードの両方を含んで成るこの態様によれば、アノードをカソードから分離するために「塩橋」、即ちPEMを必要としない。この態様は、生物学的宿主、例えばヒトに、移植可能な電源として特に有用である。 In one embodiment, the fuel electrons may comprise the bioanode and biocathode described above, wherein the biocathode comprises a second redox polymer film, a second modified ion exchange polymer membrane, and O 2 -reductase. . The second modified ion exchange polymer membrane may be a salt extracted quaternary ammonium treated Nafion polymer, the second redox polymer film may be poly (N-vinyl-imidazole) and the O 2 -reductase is laccase. It's okay. According to this embodiment, where the biofuel cell comprises both a bioanode and a biocathode, no “salt bridge” or PEM is required to separate the anode from the cathode. This embodiment is particularly useful as an implantable power source for biological hosts such as humans.

4.電気発生方法
本発明の種々の要旨の1つは、電力を発生させる方法であって、有機燃料(または水素、アンモニアまたは炭化水素を含んで成る燃料流体)を酸化する本発明のバイオアノードを、酸素または過酸化物のような酸化剤を還元するカソードと共に使用する方法である。さらに、本発明の他の要旨は、前記のバイオアノードおよびカソードを使用して電気を発生させる方法であって、電気負荷をバイオアノードとカソードの間に配置し、バイオアノード、電気負荷およびカソードが導電性物質によって連結している方法である。燃料流体はバイオアノードにおいて酸化され、酸化剤はカソードにおいて還元される。電気負荷は、電気を使用するデバイスである。1つの態様において、バイオアノードは、燃料流体および電子メディエータを含有する溶液に接触し、カソードは、緩衝溶液に接触する。バイオアノードに接触する溶液を、塩橋またはPEMによって、カソードに接触する溶液から分離する。
Four. One of the various aspect of the electricity generation process of the present invention is a method of generating power, the bioanode of the present invention to oxidize organic fuel (or hydrogen, the fuel fluid comprising ammonia or hydrocarbons), A method of using an oxidant such as oxygen or peroxide with a reducing cathode. Furthermore, another aspect of the present invention is a method for generating electricity using the bioanode and cathode, wherein an electrical load is disposed between the bioanode and the cathode, and the bioanode, electrical load and cathode are In this method, the conductive materials are connected. The fuel fluid is oxidized at the bioanode and the oxidant is reduced at the cathode. An electrical load is a device that uses electricity. In one embodiment, the bioanode is in contact with a solution containing a fuel fluid and an electron mediator, and the cathode is in contact with a buffer solution. The solution in contact with the bioanode is separated from the solution in contact with the cathode by salt bridge or PEM.

他の態様において、電力発生方法が、バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元する工程を含んで成り、該方法において、(a)バイオアノードが、電子導体、電子メディエータ用の電気触媒、および燃料流体透過性であり、酵素を安定化させる酵素固定化物質に固定化された酵素、を含んで成り、(b)電子メディエータの酸化形態が、バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に還元され、そして(c)電子メディエータの還元形態が電気触媒によって酸化され、次にまたは同時に、電気触媒がバイオアノードにおいて酸化される。   In another aspect, a power generation method comprises oxidizing a fuel fluid at a bioanode and reducing an oxidant at a cathode, wherein (a) the bioanode is for an electron conductor, an electron mediator. An electrocatalyst, and an enzyme immobilized in an enzyme immobilization material that is permeable to the fuel fluid and stabilizes the enzyme, and (b) an oxidized form of the electron mediator is present in the oxidation of the fuel fluid at the bioanode. And (c) the reduced form of the electron mediator is oxidized by the electrocatalyst, and then or simultaneously, the electrocatalyst is oxidized at the bioanode.

さらに他の態様において、電力発生方法が、バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元する工程を含んで成り、該方法において、(a)バイオアノードが、電子導体、および燃料流体透過性であり、酵素を安定化させる酵素固定化物質に固定化された酵素を含んで成り、電子導体において可逆的電気化学でありうる電子メディエータが、バイオアノードに接触する溶液に存在し、(b)電子メディエータの酸化形態が、バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に還元され、そして(c)電子メディエータがバイオアノードにおいて酸化される。   In yet another aspect, the power generation method comprises the steps of oxidizing the fuel fluid at the bioanode and reducing the oxidant at the cathode, wherein (a) the bioanode comprises an electronic conductor and a fuel fluid. An electron mediator that is permeable and comprises an enzyme immobilized in an enzyme immobilization material that stabilizes the enzyme, which can be reversible electrochemistry in the electron conductor, is present in the solution in contact with the bioanode, ( b) The oxidized form of the electron mediator is reduced during the oxidation of the fuel fluid at the bioanode, and (c) the electron mediator is oxidized at the bioanode.

さらに他の態様において、電力発生方法が、バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元する工程を含んで成り、該方法において、(a)バイオアノードが、電子導体、電子メディエータ用の電気触媒、およびミセルまたは逆ミセル酵素固定化物質に固定化された酵素、を含んで成り、(b)電子メディエータの酸化形態が、バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に還元され、そして(c)電子メディエータの還元形態が電気触媒によって酸化され、次に、電気触媒がバイオアノードにおいて酸化される。   In yet another aspect, the method for generating power comprises oxidizing the fuel fluid at the bioanode and reducing the oxidant at the cathode, wherein (a) the bioanode is for an electron conductor, an electron mediator. And (b) an oxidized form of the electron mediator is reduced during oxidation of the fuel fluid at the bioanode, and (b) an enzyme immobilized on a micelle or reverse micelle enzyme immobilization material, c) The reduced form of the electron mediator is oxidized by the electrocatalyst, which is then oxidized at the bioanode.

さらに他の態様において、電力発生方法が、バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元する工程を含んで成り、該方法において、(a)バイオアノードが、電子導体、およびミセルまたは逆ミセル酵素固定化物質に固定化された酵素を含んで成り、電子導体において可逆的電気化学でありうる電子メディエータが、バイオアノードに接触する溶液に存在し、(b)電子メディエータの酸化形態が、バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に還元され、そして(c)電子メディエータがバイオアノードにおいて酸化される。   In yet another embodiment, the method for generating power comprises oxidizing the fuel fluid at the bioanode and reducing the oxidant at the cathode, wherein (a) the bioanode comprises an electron conductor, and a micelle or An electron mediator comprising an enzyme immobilized on a reverse micelle enzyme immobilization material, which can be reversible electrochemistry in the electron conductor, is present in the solution in contact with the bioanode, and (b) the oxidized form of the electron mediator is Reduced during oxidation of the fuel fluid at the bioanode, and (c) the electron mediator is oxidized at the bioanode.

さらに他の態様において、本発明は、電力を発生させる方法であって、アノードに組み込まれたレドックス酵素の存在下にアノードにおいて有機燃料を酸化し;そして、カソードにおいて酸素を還元する;ことを含んで成る方法に関する。好ましい電力発生方法は、アノードにおいてアルコールを酸化し、カソードにおいて酸素を還元する工程を含んで成り、該方法において、(a)アノードが、ポリメチレングリーンポリマー、臭化第四級アンモニウム処理NafionTMポリマー、炭素繊維支持膜およびアルコールデヒドロゲナーゼを含んで成り;(b)アルコールデヒドロゲナーゼが、臭化第四級アンモニウム処理NafionTMポリマーのミセル区画に固定化され、(c)NADが、アノードにおけるアルコールの酸化の間にNADHに還元され、そして(d)NADHが、ポリメチレングリーンポリマーにおいてNADに電気酸化される。 In yet another embodiment, the present invention is a method of generating power comprising oxidizing organic fuel at an anode in the presence of a redox enzyme incorporated into the anode; and reducing oxygen at the cathode; Relates to a method comprising: A preferred power generation method comprises the steps of oxidizing alcohol at the anode and reducing oxygen at the cathode, wherein (a) the anode is a polymethylene green polymer, a quaternary ammonium bromide treated Nafion polymer. Comprising a carbon fiber support membrane and an alcohol dehydrogenase; (b) the alcohol dehydrogenase is immobilized in the micellar compartment of a quaternary ammonium bromide treated Nafion polymer, and (c) NAD + is oxidized of alcohol at the anode (D) NADH is electrooxidized to NAD + in the polymethylene green polymer.

本発明によって、ポリ(メチレングリーン)変性アノードの表面に流延されたデヒドロゲナーゼ酵素固定化イオン伝導膜を使用して、バイオ燃料電池を構成した。本発明の1つの態様において、アルコールデヒドロゲナーゼおよびNADの存在下に、アルコール燃料をアルデヒドに酸化する。NADH生成物は、燃料電池用のレドックス媒介物質である。白金および炭素電極におけるNADH酸化は、低い反応速度を有し、大きい過電圧において起こるので[4]、ポリマーに基づく電気触媒を使用して、NADを再生し、NADHから電極に電子を移動させた。電気触媒は、好ましくはポリ(メチレングリーン)である[5]。 In accordance with the present invention, a biofuel cell was constructed using a dehydrogenase enzyme-immobilized ion conducting membrane cast on the surface of a poly (methylene green) modified anode. In one embodiment of the invention, the alcohol fuel is oxidized to an aldehyde in the presence of alcohol dehydrogenase and NAD + . The NADH product is a redox mediator for fuel cells. Since NADH oxidation at platinum and carbon electrodes has a low reaction rate and occurs at large overvoltages [4], polymer-based electrocatalysts were used to regenerate NAD + and transfer electrons from NADH to the electrode. . The electrocatalyst is preferably poly (methylene green) [5].

アルコールデヒドロゲナーゼに加えてアルデヒドデヒドロゲナーゼを組み込んでいるこれらのバイオアノードを使用したエタノール/O2バイオ燃料電池は、ポリマー層におけるアルコールデヒドロゲナーゼ/アルデヒドデヒドロゲナーゼの比率に依存して、電力密度1.16mW/cm2〜2.04mW/cm2、および開放回路電圧0.6V〜0.82Vを生じる。これらのバイオアノードを使用したメタノール/O2バイオ燃料電池は、電力密度1.55mW/cm2、および開放回路電圧0.71Vを生じる。 Ethanol / O 2 biofuel cells using these bioanodes incorporating aldehyde dehydrogenase in addition to alcohol dehydrogenase have power densities of 1.16 mW / cm 2 depending on the alcohol dehydrogenase / aldehyde dehydrogenase ratio in the polymer layer. 2.04 mW / cm 2 and an open circuit voltage of 0.6 V to 0.82 V are generated. Methanol / O 2 biofuel cells using these bioanodes produce a power density of 1.55 mW / cm 2 and an open circuit voltage of 0.71V.

本発明の1つの態様において、ほぼ中性pHを有する変性イオン伝導性ポリマーにレドックス酵素を組み込むことは、バイオ燃料電池の電力密度の増加、およびバイオアノードの寿命の増加を可能にする。   In one embodiment of the present invention, incorporating a redox enzyme into a modified ion conducting polymer having a near neutral pH allows for increased power density of the biofuel cell and increased life of the bioanode.

C.酵素センサー
他の態様において、本発明の固定化酵素を、センサーとして使用することができる。酵素センサーは、測定すべき化学種(被検体)が検出前にセンサーにおいて酵素触媒反応を受けるセンサーである。被検体と酵素(被検体はその酵素の基質であるべきである)との反応は、二次化学種を生じ、二次化学種の濃度は、被検体の濃度に比例するかまたは同じである。次に、二次化学種の濃度を、変換器によって、例えば電極または光ファイバーによって、電気化学的または分光分析的に検出する。
C. In other embodiments of the enzyme sensor , the immobilized enzyme of the present invention can be used as a sensor. An enzyme sensor is a sensor in which a chemical species (analyte) to be measured undergoes an enzyme-catalyzed reaction at the sensor before detection. Reaction of the analyte with the enzyme (the analyte should be a substrate for the enzyme) yields a secondary species, and the concentration of the secondary species is proportional to or the same as the concentration of the analyte. . The concentration of secondary species is then detected electrochemically or spectroscopically by means of a transducer, for example by means of electrodes or optical fibers.

酵素センサーの酵素は、一般に、試験流体に接触させるのに好適な膜に含有される。この場合、酵素は、センサーの膜の一部として含有させるか、またはセンサープロパー(proper)に、例えば電極の層の一部として、組み込むことができる。従って、センサーの外部への拡散後に、被検体が酵素に接触し、酵素/被検体反応が起こり、次に、二次化学種がセンサーの検出器部分に拡散する。ミセルまたは逆ミセル固定化物質中の固定化酵素は、好適な有孔性を有し、それによって、被検体が、試験流体から酵素に制御的に拡散することができ、それと同時に、酵素を保持して、酵素が試験流体に浸出されるのを防止する。   The enzyme of the enzyme sensor is generally contained in a membrane suitable for contacting the test fluid. In this case, the enzyme can be included as part of the sensor membrane or incorporated into the sensor proper, eg as part of the electrode layer. Thus, after diffusion to the outside of the sensor, the analyte contacts the enzyme, an enzyme / analyte reaction occurs, and then secondary species diffuse to the detector portion of the sensor. The immobilized enzyme in the micelle or reverse micelle immobilization material has a suitable porosity, so that the analyte can controllably diffuse from the test fluid to the enzyme and at the same time retain the enzyme Thus preventing the enzyme from being leached into the test fluid.

1つの態様において、ガラス状カーボン電極をメチレングリーンで変性し、前記のように重合させた。それに加えて、アルコールデヒドロゲナーゼを固定化したテトラブチルアンモニウムブロミド変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜で、ガラス状カーボン電極を被覆した。酵素センサーはエタノールを検出した。   In one embodiment, a glassy carbon electrode was modified with methylene green and polymerized as described above. In addition, a glassy carbon electrode was coated with a tetrabutylammonium bromide-modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer film on which alcohol dehydrogenase was immobilized. The enzyme sensor detected ethanol.

D.固定化酵素の使用
一般に、本発明の固定化酵素は、種々の用途に使用できる。酵素を固定化するかまたは安定化することが好都合である用途は、特に関心が持たれるものである。
D. Use of immobilized enzyme In general, the immobilized enzyme of the present invention can be used in various applications. Applications where it is advantageous to immobilize or stabilize the enzyme are of particular interest.

他の態様において、固定化酵素を、バイオリアクターおよびバイオプロセスに使用する。ミセルまたは逆ミセル固定化物質のような固定化物質に固定化した酵素は、触媒作用による基質の化学反応を誘発する作用をする。本発明の基質は、固定化酵素が化学反応を触媒しうるあらゆる基質である。従って、基質を含有する供給流れが固定化酵素に接触し、該固定化酵素において基質が反応して生成物を形成する。さらに、基質は、固定化物質を通る際に、生成物から物理的に分離し、該固定化物質において、未反応基質が保持され、分離収集用のハウジングの出口端(exit end)を通る。   In other embodiments, immobilized enzymes are used in bioreactors and bioprocesses. An enzyme immobilized on an immobilization substance such as a micelle or reverse micelle immobilization substance acts to induce a chemical reaction of a substrate by catalysis. The substrate of the present invention is any substrate on which the immobilized enzyme can catalyze a chemical reaction. Thus, the feed stream containing the substrate contacts the immobilized enzyme, where the substrate reacts to form a product. Furthermore, the substrate physically separates from the product as it passes through the immobilization material, where unreacted substrate is retained and passes through the exit end of the separation and collection housing.

バイオリアクターを使用する方法は、ワンパス(one-pass)、連続供給システムまたは再循環システムとして配置することができ、未反応基質は供給流れに戻され、生成物は、固定化酵素を通った後に別に収集される。保持される種および透過性の種は、一般に大きさによって、物理的に分離され、より小さい生成物は固定化物質を通り、より大きい基質は固定化物質を通るのを妨げられる。   The method using a bioreactor can be arranged as a one-pass, continuous feed system or recirculation system, where unreacted substrate is returned to the feed stream and the product passes through the immobilized enzyme. Collected separately. The retained and permeable species are generally physically separated by size, with smaller products passing through the immobilized material and larger substrates being prevented from passing through the immobilized material.

さらに他の態様において、本発明の固定化酵素をバイオアッセイに使用する。バイオアッセイ手順は、被験物質と適切な試薬、例えば酵素基質との反応、またはそれらの逆反応、ならびに、試薬(または試薬と反応した他の物質、指示薬)の特徴、例えば、色、放射能または他の物理的特徴の測定による、反応した試薬の量の直接的または間接的定量測定を含む。被験溶液を固定化酵素に接触させ、それによって反応が生じて、固定化錯体が生成される。放射性標識基質を導入し、非占有部位において反応させる。錯体における放射能を測定することによって、試料中の酵素の量を測定できる。   In yet another embodiment, the immobilized enzyme of the invention is used in a bioassay. Bioassay procedures include the reaction of a test substance with an appropriate reagent, such as an enzyme substrate, or vice versa, as well as the characteristics of the reagent (or other substances that react with the reagent, indicators) such as color, radioactivity or Includes direct or indirect quantitative measurement of the amount of reacted reagent by measurement of other physical characteristics. The test solution is contacted with the immobilized enzyme, which causes a reaction to produce an immobilized complex. Radiolabeled substrate is introduced and allowed to react at unoccupied sites. By measuring the radioactivity in the complex, the amount of enzyme in the sample can be measured.

さらに他の態様において、固定化酵素を酵素療法に使用する。酵素療法は、患者への酵素の投与から成り、投与された酵素は、患者自身の欠陥または欠失酵素が触媒することができない体内の反応を触媒する。固定化酵素は、増加した安定性の故に、この適用に有利であり、投与された酵素がより長く活性を維持することを可能にし、従って、より少ない治療頻度およびより少ない酵素用量にすることができる。   In yet other embodiments, immobilized enzymes are used for enzyme therapy. Enzymatic therapy consists of the administration of an enzyme to a patient, which catalyzes an internal reaction that the patient's own defective or deleted enzyme cannot catalyze. Immobilized enzymes are advantageous for this application because of the increased stability and allow the administered enzyme to remain active longer, thus reducing the frequency of treatment and reducing enzyme dosage. it can.

他の態様において、本発明の固定化酵素をイムノアッセイに使用する。1つのそのようなアッセイは、定量的酵素結合イムノソルベントアッセイ(ELISA)であり、該アッセイにおいて、濾紙、多孔性膜、プラスチックパドルまたは他の固体表面において、色を視覚的に検出することができる。このアッセイは、定量アッセイ、および色に加えて他の検出可能なシグナルの使用に、容易に適合させることができる。   In other embodiments, the immobilized enzyme of the invention is used in an immunoassay. One such assay is a quantitative enzyme-linked immunosorbent assay (ELISA), in which color can be detected visually on filter paper, porous membranes, plastic paddles or other solid surfaces. . This assay can be readily adapted for quantitative assays and the use of other detectable signals in addition to color.

他の態様において、固定化酵素をバイオ模擬物質として使用する。バイオ模擬物質において、生物学的系または天然系を模擬する合成系を調製する。例えば、細胞系またはより大きい生物学的系、例えば心血管系または内分泌系を模擬するために、生物模擬系は特定物質と選択的に反応し、そして生物模擬系から物質を放出しうる必要がある。選択的に反応し、物質を放出する1つの方法は、半透性膜に固定化された固定化酵素を使用することである。この方法において、例えば、半透性膜は細胞膜を模擬し、酵素仲介反応は、天然系において起こる多くの酵素仲介反応を模擬する。   In other embodiments, the immobilized enzyme is used as a biomimetic. In a biomimetic, a synthetic system that mimics a biological or natural system is prepared. For example, to mimic a cell line or a larger biological system, such as a cardiovascular or endocrine system, the biomimetic system needs to be able to selectively react with a specific substance and release the substance from the biomimetic system. is there. One way to selectively react and release the substance is to use an immobilized enzyme immobilized on a semipermeable membrane. In this method, for example, a semi-permeable membrane mimics a cell membrane, and an enzyme-mediated reaction mimics many enzyme-mediated reactions that occur in natural systems.

他の態様において、クレブスサイクル(またはクエン酸サイクル)を模擬する系において、固定化酵素を使用する。クレブスサイクルは、酢酸またはアセチル−CoAの二酸化炭素および水への酸化を含む。クレブスサイクルのバイオ模擬物質は、細胞のエネルギー産生サイクルに作用する因子についての情報を提供する。さらに、クレブスサイクルおよびそのバイオ模擬物質の研究は、バイオ模擬物質を使用してエネルギー産生を最大化するのに重要な側面の理解を助ける。   In other embodiments, the immobilized enzyme is used in a system that mimics the Krebs cycle (or citrate cycle). The Krebs cycle involves the oxidation of acetic acid or acetyl-CoA to carbon dioxide and water. The Krebs cycle biomimetic provides information about factors that affect the energy production cycle of cells. In addition, research on the Krebs cycle and its biomimetics will help understand aspects that are important for maximizing energy production using biomimetics.

定義
本明細書に使用される「燃料電池」は、電気短絡を防止するために分離されたアノードおよびカソードを有する。好ましくは、アノードおよびカソードは、ポリマー電解質膜によって分離される。バイオ燃料電池は、燃料流体、および燃料流体の酸化を触媒する酵素を使用する。1つの態様において、「バイオ燃料電池」は、エネルギー源としての有機燃料、および有機燃料の酸化を触媒するレドックス酵素を使用する。「燃料電池」および「バイオ燃料電池」という用語は、本発明の開示において互換的に使用される。1つの態様において、本発明の燃料電池は、電気供給を必要とする用途、例えば、器具、玩具、内部医療デバイス、および電動(電気)乗物に使用しうるが、これらに限定されない。他の態様において、本発明の燃料電池を生体に埋め込むことができ、その場合、有機燃料は生体から誘導され、燃料電池は生体に埋め込まれたデバイスに電力を供給する。
Definitions As used herein, a “fuel cell” has an anode and a cathode that are separated to prevent electrical shorting. Preferably, the anode and cathode are separated by a polymer electrolyte membrane. Biofuel cells use fuel fluids and enzymes that catalyze the oxidation of fuel fluids. In one embodiment, a “biofuel cell” uses an organic fuel as an energy source and a redox enzyme that catalyzes the oxidation of the organic fuel. The terms “fuel cell” and “biofuel cell” are used interchangeably in the present disclosure. In one embodiment, the fuel cell of the present invention may be used in applications requiring an electrical supply, such as, but not limited to, appliances, toys, internal medical devices, and electric (electric) vehicles. In another aspect, the fuel cell of the present invention can be implanted in a living body, in which case the organic fuel is derived from the living body and the fuel cell supplies power to the device implanted in the living body.

本明細書に使用される「有機燃料」という用語は、ネルギーを蓄えたあらゆる炭素に基づく化合物を意味する。有機燃料は、核酸、炭水化物(例えばグルコース)、アルコール、脂肪酸および他の炭化水素、ケトン、アルデヒド、アミノ酸およびタンパク質を包含するがそれらに限定されない。有機燃料は、有機体中の生物学的化合物であってもよい。好ましい燃料は、メタノール、エタノール、ブタノールおよびイソプロパノールを包含するアルコール、および炭水化物、特にグルコースまたはそのポリマーである。好ましいアルコールは、エタノールおよびメタノールである。   As used herein, the term “organic fuel” means any carbon-based compound that stores energy. Organic fuels include, but are not limited to, nucleic acids, carbohydrates (eg glucose), alcohols, fatty acids and other hydrocarbons, ketones, aldehydes, amino acids and proteins. The organic fuel may be a biological compound in the organism. Preferred fuels are alcohols including methanol, ethanol, butanol and isopropanol, and carbohydrates, especially glucose or polymers thereof. Preferred alcohols are ethanol and methanol.

本発明はバイオアノードにも関する。バイオアノードは、燃料流体の酸化を触媒する酵素を含んで成るアノードである。1つの態様において、「バイオアノード」は、有機燃料の酸化を触媒するレドックス酵素を含んで成るアノードを意味する。アノードは、電気回路または電位差のための電子源を与える。他の態様において、好ましいバイオアノードは、イオン交換ポリマー膜に並置されたレドックスポリマー膜に並置された、支持膜または構造物、例えば、炭素繊維布または炭素フェルトのシートを含んで成る。1つの態様において、「バイオカソード」という用語は、酸素の還元を触媒するラッカーゼのようなレドックス酵素を含んで成る。   The invention also relates to a bioanode. A bioanode is an anode comprising an enzyme that catalyzes the oxidation of a fuel fluid. In one embodiment, “bioanode” refers to an anode comprising a redox enzyme that catalyzes the oxidation of an organic fuel. The anode provides an electron source for the electrical circuit or potential difference. In other embodiments, preferred bioanodes comprise a support membrane or structure, such as a carbon fiber cloth or a sheet of carbon felt, juxtaposed to a redox polymer membrane juxtaposed to an ion exchange polymer membrane. In one embodiment, the term “biocathode” comprises a redox enzyme such as laccase that catalyzes the reduction of oxygen.

本明細書において使用される「レドックスポリマー」、「レドックスポリマーフィルム」または「レドックスポリマー膜」という用語は、化合物から電子を受容するかまたは供与することができ、それによって、化合物をそれぞれ酸化または還元し、電気回路への移動に使用できる遊離電子を発生させる。好ましいレドックスポリマーは、文献5(Zouら、1996)に記載のように、ポリメチレングリーンである。レドックスポリマーによる電気触媒作用の基質である好ましい化合物は、還元アデニンジヌクレオチド、例えば、NADH、FADH2およびNADPHを包含する。バイオカソードに有用なレドックスポリマーフィルムは、ポリ(N−ビニル−イミダゾール)およびその誘導体を包含する。 As used herein, the terms “redox polymer”, “redox polymer film” or “redox polymer film” can accept or donate electrons from a compound, thereby oxidizing or reducing the compound, respectively. And free electrons that can be used to move to the electrical circuit. A preferred redox polymer is polymethylene green, as described in document 5 (Zou et al., 1996). Preferred compounds that are substrates for electrocatalysis by redox polymers include reduced adenine dinucleotides such as NADH, FADH 2 and NADPH. Redox polymer films useful for biocathodes include poly (N-vinyl-imidazole) and its derivatives.

本明細書に使用される「支持膜」という用語は、電流を通すことができ、バイオ燃料電池電極のポリマー膜を支持するのに使用される硬質または半硬質不活性物質を意味する。支持膜は、あらゆる導電性物質、例えば、ステンレス鋼、ステンレス鋼メッシュ、カーボン、カーボンナノチューブ、白金または半導体物質を含んで成ってよい。好ましい支持膜はカーボンフェルトのシートである。「カーボンフェルト」、「カーボン布」および「カーボン布支持膜」という用語は、互換的に使用される。   As used herein, the term “support membrane” refers to a rigid or semi-rigid inert material that can conduct current and is used to support the polymer membrane of a biofuel cell electrode. The support membrane may comprise any conductive material, such as stainless steel, stainless steel mesh, carbon, carbon nanotubes, platinum or a semiconductor material. A preferred support membrane is a carbon felt sheet. The terms “carbon felt”, “carbon cloth” and “carbon cloth support membrane” are used interchangeably.

本明細書に使用される「イオン交換ポリマー」または「イオン交換ポリマー膜」という用語は、それを通るイオンの伝導を可能にしうるポリマーを意味する。好ましいイオン交換ポリマーは、パーフッ素化イオン交換ポリマー、例えばNafionTM(DuPont, Wilmington, DE)である。本発明は、スルホン酸交換部位において第四級アンモニウムイオンを含有する変性を有するパーフッ素化イオン交換ポリマーにも関する。その変性は、イオン交換ポリマーのミセルに中性pHを生じる。本発明によれば、1つまたはそれ以上のレドックス酵素が、塩抽出第四級アンモニウム処理パーフッ素化イオン交換ポリマーのミセル(または「ミセル区画」)に組み込まれているかまたは捕捉されている。 As used herein, the term “ion exchange polymer” or “ion exchange polymer membrane” means a polymer that can allow conduction of ions therethrough. Preferred ion exchange polymers are perfluorinated ion exchange polymers such as Nafion (DuPont, Wilmington, DE). The present invention also relates to perfluorinated ion exchange polymers having modifications containing quaternary ammonium ions at the sulfonic acid exchange sites. The modification results in a neutral pH in the ion exchange polymer micelles. In accordance with the present invention, one or more redox enzymes are incorporated or trapped in the micelles (or “micelle compartment”) of the salt extracted quaternary ammonium treated perfluorinated ion exchange polymer.

1つの態様において、「酵素」または「レドックス酵素」という用語は、化学反応において触媒として作用するタンパク質を意味する。好ましい酵素は、燃料の酸化および「補助因子」の同時還元を触媒する「デヒドロゲナーゼ」を包含する。好ましい補助因子は、アデニンジヌクレオチド、例えばニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチドホスフェート(NADP)およびフラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)を包含する。デヒドロゲナーゼは、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、グリセルアルデヒド−3−ホスフェートデヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼおよびピルビン酸デヒドロゲナーゼを包含する。バイオカソードに有用なレドックス酵素は、O2レダクターゼ、例えばラッカーゼを包含する。 In one embodiment, the term “enzyme” or “redox enzyme” refers to a protein that acts as a catalyst in a chemical reaction. Preferred enzymes include “dehydrogenases” that catalyze the oxidation of fuel and the simultaneous reduction of “cofactors”. Preferred cofactors include adenine dinucleotides such as nicotinamide adenine dinucleotide (NAD + ), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP + ) and flavin adenine dinucleotide (FAD). Dehydrogenases include alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, glyceraldehyde-3-phosphate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, lactate dehydrogenase, glucose dehydrogenase and pyruvate dehydrogenase. Redox enzymes useful for biocathodes include O 2 reductases such as laccase.

本明細書に使用される「炭化水素」および「ヒドロカルビル」という用語は、炭素および水素のみから成る有機化合物または基を意味する。これらの成分は、アルキル、アルケニル、アルキニルおよびアリール成分を包含する。これらの成分は、他の脂肪族または環式炭化水素基、例えば、アルカリール、アルケナリールおよびアルキナリールで置換されたアルキル、アルケニル、アルキニルおよびアリール成分も包含する。特に指定しなければ、これらの成分は1〜20個の炭素原子を有するのが好ましい。   As used herein, the terms “hydrocarbon” and “hydrocarbyl” mean an organic compound or group consisting solely of carbon and hydrogen. These components include alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl components. These components also include alkyl, alkenyl, alkynyl and aryl components substituted with other aliphatic or cyclic hydrocarbon groups such as alkaryl, alkenaryl and alkynalyl. Unless otherwise specified, these components preferably have 1 to 20 carbon atoms.

本明細書に記載される「置換ヒドロカルビル」成分は、炭素以外の少なくとも1個の原子で置換されたヒドロカルビル成分であり、炭素鎖原子が、窒素、酸素、珪素、燐、硼素、硫黄またはハロゲン原子のようなヘテロ原子で置換されている成分を包含する。これらの置換基は、ハロゲン、ヘテロシクロ、アルコキシ、アルケノキシ、アルキノキシ、アリールオキシ、ヒドロキシ、保護ヒドロキシ、ケト、アシル、アシルオキシ、ニトロ、アミノ、アミド、ニトロ、シアノ、チオール、ケタール、アセタール、エステルおよびエーテルを包含する。   A “substituted hydrocarbyl” component as described herein is a hydrocarbyl component substituted with at least one atom other than carbon, where the carbon chain atoms are nitrogen, oxygen, silicon, phosphorus, boron, sulfur or halogen atoms. And a component substituted with a heteroatom such as These substituents include halogen, heterocyclo, alkoxy, alkenoxy, alkynoxy, aryloxy, hydroxy, protected hydroxy, keto, acyl, acyloxy, nitro, amino, amide, nitro, cyano, thiol, ketal, acetal, ester and ether. Include.

「ヘテロ原子」という用語は、炭素および水素以外の原子を意味する。   The term “heteroatom” means atoms other than carbon and hydrogen.

本明細書において単独かまたは他の基の一部として使用される「ヘテロシクロ」または「複素環式」という用語は、少なくとも1個の環に少なくとも1個のヘテロ原子を有し、各環に好ましくは5個または6個の原子を有し、任意に置換され、完全飽和または不飽和、単環式または二環式、芳香族または非芳香族基を意味する。ヘテロシクロ基は、環に、1個または2個の酸素原子、1個または2個の硫黄原子、および/または1〜4個の窒素原子を有するのが好ましく、炭素またはヘテロ原子を介して分子の残りに結合しうる。例示できるへテロシクロは、複素芳香族炭化水素、例えば、フリル、チエニル、ピリジル、オキサゾリル、ピロリル、インドリル、キノリニルまたはイソキノリニル等を包含する。例示できる置換基は、1個またはそれ以上の下記の基を包含する:ヒドロカルビル、置換ヒドロカルビル、ケト、ヒドロキシ、保護ヒドロキシ、アシル、アシルオキシ、アルコキシ、アルケノキシ、アルキノキシ、アリールオキシ、ハロゲン、アミド、アミノ、ニトロ、シアノ、チオール、ケタール、アセタール、エステルおよびエーテル。   The term “heterocyclo” or “heterocyclic” as used herein alone or as part of another group preferably has at least one heteroatom in at least one ring and is preferably in each ring. Means 5 or 6 atoms, optionally substituted, means fully saturated or unsaturated, monocyclic or bicyclic, aromatic or non-aromatic group. The heterocyclo group preferably has 1 or 2 oxygen atoms, 1 or 2 sulfur atoms, and / or 1 to 4 nitrogen atoms in the ring, and may be attached to the molecule via a carbon or heteroatom. Can bind to the rest. Illustrative heterocyclo includes heteroaromatic hydrocarbons such as furyl, thienyl, pyridyl, oxazolyl, pyrrolyl, indolyl, quinolinyl or isoquinolinyl. Exemplary substituents include one or more of the following groups: hydrocarbyl, substituted hydrocarbyl, keto, hydroxy, protected hydroxy, acyl, acyloxy, alkoxy, alkenoxy, alkynoxy, aryloxy, halogen, amide, amino, Nitro, cyano, thiol, ketal, acetal, ester and ether.

下記の実施例は本発明を例示するものである。
実施例1
固定化酵素
NafionTMおよび臭化第四級アンモニウムの混合流延膜の製造用の流延溶液を、本明細書に参照として組み入れられる文献2に記載のように調製した。混合流延溶液1mLを秤量ボートに入れ、乾燥させた。以前の試験は、膜に導入した全ての臭化物イオンが、水に膜を浸漬した際に、膜から放出されたことを示している[2]。従って、18MWの水7.0mLを秤量ボートに添加し、一晩浸漬した。水を除去し、フィルムを18MWの水で充分に濯ぎ、乾燥させた。次に、塩抽出フィルムを低級脂肪族アルコール1.0mLに再懸濁した。
The following examples illustrate the invention.
Example 1
Immobilized enzyme
A casting solution for the production of a mixed casting membrane of Nafion and quaternary ammonium bromide was prepared as described in document 2, which is incorporated herein by reference. 1 mL of the mixed casting solution was placed in a weighing boat and dried. Previous tests have shown that all bromide ions introduced into the membrane were released from the membrane when the membrane was immersed in water [2]. Therefore, 7.0 mL of 18 MW water was added to the weighing boat and immersed overnight. The water was removed and the film was rinsed thoroughly with 18 MW water and dried. The salt extraction film was then resuspended in 1.0 mL of lower aliphatic alcohol.

酵素/TBABの比率2:1(一般に、1.0μM酵素1200μL/600μL)の酵素/NafionTM 流延溶液および0.03g NADを、電極の被覆に備えて渦巻き状にした。溶液をピペットで電極に移し、カーボンフェルト電極に浸み込ませ、乾燥させた。 Enzyme / Nafion casting solution and 0.03 g NAD + in an enzyme / TBAB ratio of 2: 1 (typically 1.0 μM enzyme 1200 μL / 600 μL) were vortexed in preparation for electrode coating. The solution was pipetted onto the electrode, immersed in a carbon felt electrode and dried.

溶液流延の手順
下記の臭化第四級アンモニウムを使用した:アンモニウムブロミド(Fisher)、テトラメチルアンモニウムブロミド(Aldrich)、テトラエチルアンモニウムブロミド(Fisher)、テトラプロピルアンモニウムブロミド(Aldrich)、テトラブチルアンモ二ウムブロミド(Eastman)、およびテトラペンチルアンモニウムブロミド(Aldrich)。
Solution casting procedure The following quaternary ammonium bromides were used: ammonium bromide (Fisher), tetramethylammonium bromide (Aldrich), tetraethylammonium bromide (Fisher), tetrapropylammonium bromide (Aldrich), tetrabutylammonium. Umbromide (Eastman) and tetrapentylammonium bromide (Aldrich).

臭化第四級アンモニウムと5wt%NafionTM懸濁液(Solution Technologies, Inc.)とを共に流延することによって、臭化第四級アンモニウムを組み込んだNafionTM膜を形成した。臭化第四級アンモニウムを5wt%懸濁液に添加することによって、混合流延溶液を調製した。臭化第四級アンモニウムの濃度が、NafionTM懸濁液中のスルホン酸部位の濃度より高くなるように、全ての混合流延溶液を調製した。最適化の後、最も安定かつ再現性のある膜は、交換部位の濃度の3倍の臭化第四級アンモニウム濃度を有することが決定された。 Nafion membranes incorporating quaternary ammonium bromide were formed by casting together quaternary ammonium bromide and 5 wt% Nafion suspension (Solution Technologies, Inc.). A mixed casting solution was prepared by adding quaternary ammonium bromide to a 5 wt% suspension. All mixed casting solutions were prepared such that the concentration of quaternary ammonium bromide was higher than the concentration of sulfonic acid sites in the Nafion suspension. After optimization, the most stable and reproducible membrane was determined to have a quaternary ammonium bromide concentration of 3 times the exchange site concentration.

流延溶液1mLを秤量ボートに入れ、乾燥させた。以前の試験は、膜に導入した全ての臭化物イオンが、水に膜を浸漬した際に、膜から放出されたことを示している。従って、18MWの水7.0mLを秤量ボートに添加し、一晩浸漬した。水を除去し、フィルムを18MWの水で充分に濯ぎ、乾燥させた。次に、フィルムをメタノール1.0mLに再懸濁した。   1 mL of the casting solution was placed in a weighing boat and dried. Previous tests have shown that all bromide ions introduced into the membrane were released from the membrane when the membrane was immersed in water. Therefore, 7.0 mL of 18 MW water was added to the weighing boat and immersed overnight. The water was removed and the film was rinsed thoroughly with 18 MW water and dried. The film was then resuspended in 1.0 mL methanol.

図4〜6は、pH7.15燐酸塩緩衝液中のNADおよび燃料流体の溶液で処理した種々の変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜に固定化した酵素の蛍光顕微鏡写真を示す。蛍光を示す蛍光顕微鏡写真は、特定の変性パーフルオロスルホン酸−PTFEコポリマー膜に固定化した酵素が、固定化後もなお触媒的に活性な酵素であることを示す。これは、特定の固定化物質が、酵素の触媒活性を維持しながら酵素を固定化し安定化させるかどうかを決定する1つの方法である。下記の表は、準備した酵素および膜、ならびに酵素が固定化後に触媒活性を保持したかどうかを示す。表に「有り」と記されている場合、膜に固定化後に酵素がその触媒活性を保持し、「無し」と記されている場合、膜に固定化後に酵素がその触媒活性を保持していない。

Figure 0004878756
FIGS. 4-6 show fluorescence micrographs of enzymes immobilized on various modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membranes treated with a solution of NAD + and fuel fluid in pH 7.15 phosphate buffer. Fluorescence micrographs showing fluorescence show that the enzyme immobilized on the specific modified perfluorosulfonic acid-PTFE copolymer membrane is still catalytically active after immobilization. This is one way to determine whether a particular immobilization material will immobilize and stabilize the enzyme while maintaining the catalytic activity of the enzyme. The table below shows the prepared enzymes and membranes and whether the enzymes retained catalytic activity after immobilization. In the table, “Yes” indicates that the enzyme retains its catalytic activity after immobilization on the membrane, and “No” indicates that the enzyme retains its catalytic activity after immobilization on the membrane. Absent.
Figure 0004878756

実施例2
物理的電池装置
本発明のバイオアノードを、図1に示す直径2.6cm、高さ14.8cmおよび長さ7.6cmの注文製造「U」字形円筒形ガラス管系から成る物理試験電池において試験した。約50mLの溶液を、NafionTM膜(Aldrich)の両側に含有させた。試験電池のカソード側は、外部源(AirGas)によって泡立たせて添加した溶解酸素で飽和したpH7.15燐酸塩緩衝液を含有していた。カソード物質は、Vulcan XC-72(E-Tek)上に20%白金を有するELAT電極である。試験電池のアノード側に、1.0mM NADおよび1.0mM燃料(エタノールまたはメタノール)を含有するpH7.15緩衝液を充填した。酵素を含んで成る本発明のバイオアノードをアノードとして使用した。データ収集前に、電池全体を2〜6時間平衡させた。PCコンピューターに接続したCH Instruments 810 potentiostatを使用して、試験電池について全てのデータを収集し分析した。バイオ燃料電池の各タイプを三重に試験し、記録された全ての不確定要素は、1つの標準偏差に対応する。
Example 2
Physical Battery Device The bioanode of the present invention was tested in a physical test cell consisting of a custom made “U” shaped cylindrical glass tube system of 2.6 cm diameter, 14.8 cm height and 7.6 cm length as shown in FIG. Approximately 50 mL of the solution was included on both sides of the Nafion membrane (Aldrich). The cathode side of the test cell contained a pH 7.15 phosphate buffer saturated with dissolved oxygen added by bubbling with an external source (AirGas). The cathode material is an ELAT electrode with 20% platinum on Vulcan XC-72 (E-Tek). The anode side of the test cell was filled with pH 7.15 buffer containing 1.0 mM NAD + and 1.0 mM fuel (ethanol or methanol). A bioanode according to the invention comprising an enzyme was used as the anode. Prior to data collection, the entire battery was allowed to equilibrate for 2-6 hours. All data was collected and analyzed for the test cells using a CH Instruments 810 potentiostat connected to a PC computer. Each type of biofuel cell was tested in triplicate and all uncertainties recorded correspond to one standard deviation.

実施例3
エタノール用バイオアノード
エタノール用バイオアノードを図2に示すように設計した。これらのバイオアノードは、塩抽出テトラブチルアンモニウム(「TBAB」)/NafionTM膜に固定化したNADおよびアルコールデヒドロゲナーゼまたはアルコールデヒドロゲナーゼとアルデヒドデヒドロゲナーゼの混合物を有する。膜を、ポリ(メチレングリーン)変性カーボン布電極に流延する。これらのバイオアノードは30日より長く機能することができ、この機能は、燃料電池の初期発電量の20%より以上の発電量によって決定される。
Example 3
Bioanode for ethanol A bioanode for ethanol was designed as shown in FIG. These bioanodes have NAD + and alcohol dehydrogenase or a mixture of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase immobilized on a salt extracted tetrabutylammonium (“TBAB”) / Nafion membrane. The membrane is cast onto a poly (methylene green) modified carbon cloth electrode. These bioanodes can function for longer than 30 days, and this function is determined by more than 20% of the initial power generation of the fuel cell.

TBAB/NafionTM膜に固定化したアルコールデヒドロゲナーゼを使用した生物アノードは、20℃および緩衝液pH7.15において、0.60〜0.62Vの開放回路電位差を示した。エタノールを基剤とするバイオ燃料電池の平均最大電力密度は、1.16±0.05mW/cm2である。エタノール/O2燃料電池についての典型的な電力曲線を図3に示す。図3で試験したバイオアノードは、TBAB/NafionTM膜に固定化された1.2x10−9モルのアルコールデヒドロゲナーゼ酵素を有する。酵素に関する至適pHは8.6〜9.0である[7]が、ポリ(メチレングリーン)電気触媒は中性pHに[5]おいてNADHの酸化に関して最も高い触媒有効性を有するので、pH7.15燐酸塩緩衝液を選択した。この電力曲線は、2日後に取った。最大電力が最初の7日間で6.1%減少した。 The bioanode using alcohol dehydrogenase immobilized on TBAB / Nafion membrane showed an open circuit potential difference of 0.60 to 0.62 V at 20 ° C. and buffer pH 7.15. The average maximum power density of ethanol-based biofuel cells is 1.16 ± 0.05 mW / cm 2 . A typical power curve for an ethanol / O 2 fuel cell is shown in FIG. The bioanode tested in FIG. 3 has 1.2 × 10 −9 moles of alcohol dehydrogenase enzyme immobilized on a TBAB / Nafion membrane. The optimum pH for the enzyme is 8.6-9.0 [7], but poly (methylene green) electrocatalyst has the highest catalytic effectiveness for the oxidation of NADH at neutral pH [5], so pH 7.15 phosphate A salt buffer was selected. This power curve was taken after 2 days. Maximum power decreased 6.1% in the first 7 days.

TBAB/NafionTM膜に固定化したアルコールデヒドロゲナーゼとアルデヒドデヒドロゲナーゼとの混合物を使用したバイオアノードを製造し、試験した。このバイオアノードは、TBAB/NafionTM膜に固定化したアルコールデヒドロゲナーゼ1.2x10−9モルおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼ1.2x10−9モルを使用した。アルコールデヒドロゲナーゼおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼを使用したエタノール/O2燃料電池の開放回路電位差は、0.82Vである。アルコールデヒドロゲナーゼおよびアルデヒドデヒドロゲナーゼの等モル量の混合物を使用したエタノールを基剤とする燃料電池の最大電力密度は、2.04mW/cm2である。 A bioanode using a mixture of alcohol and aldehyde dehydrogenases immobilized on a TBAB / Nafion membrane was fabricated and tested. The bio-anode were immobilized alcohol dehydrogenase 1.2x10 -9 mol and aldehyde dehydrogenase 1.2x10 -9 mol to TBAB / Nafion TM membranes. The open circuit potential difference of an ethanol / O 2 fuel cell using alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase is 0.82V. The maximum power density of an ethanol-based fuel cell using an equimolar mixture of alcohol dehydrogenase and aldehyde dehydrogenase is 2.04 mW / cm 2 .

これらのアルコール/O2バイオ燃料電池を文献のバイオ燃料電池と比較するために、メタノール/O2バイオ燃料電池を製造し、試験した。メタノールバイオアノードは、TBAB/NafionTM膜に固定化されたアルコールデヒドロゲナーゼ1.2x10−9モル、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ1.2x10−9モルおよび蟻酸デヒドロゲナーゼ1.2x10−9モルを有していた。アルコールデヒドロゲナーゼはメタノールをホルムアルデヒドに酸化し、次に、そのホルムアルデヒドがホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼによってホルメートに酸化される。最後に、ホルメートが、蟻酸デヒドロゲナーゼによって二酸化炭素に酸化され、それによって、反応した燃料1モル当たりNADH3モルが生成される。 In order to compare these alcohol / O 2 biofuel cells with literature biofuel cells, methanol / O 2 biofuel cells were manufactured and tested. Methanol Bio anode had TBAB / Nafion TM film immobilized alcohol dehydrogenase 1.2x10 -9 mol of formaldehyde dehydrogenase 1.2x10 -9 mol and formate dehydrogenase 1.2x10 -9 mol. Alcohol dehydrogenase oxidizes methanol to formaldehyde, which is then oxidized to formate by formaldehyde dehydrogenase. Finally, formate is oxidized to carbon dioxide by formate dehydrogenase, thereby producing 3 moles of NADH per mole of fuel reacted.

現在の技術のメタノールを基剤とするバイオ燃料電池は、20℃および緩衝液pH7.15において、0.64〜0.71Vの開放回路電位差を有する。メタノールを基剤とするバイオ燃料電池の平均最大電力密度は、1.55±0.19mW/cm2である。Whitesidesおよび共同研究者によって開発された現在の技術のメタノール/O2バイオ燃料電池は、開放回路電位差0.8V、および電池の最大発電量0.67mW/cm2を有していた[8]。文献1に記載のメタノールバイオ燃料電池は、固定化酵素を有さず、従って、燃料電池の寿命は長くて数日に限られる。TBAB/NafionTM膜に基づく本発明のメタノールバイオ燃料電池は、性能の低下を生じずに5日間より以上にわたって試験された。 Current technology methanol-based biofuel cells have an open circuit potential difference of 0.64 to 0.71 V at 20 ° C. and buffer pH 7.15. The average maximum power density of a methanol-based biofuel cell is 1.55 ± 0.19 mW / cm 2 . The current technology methanol / O 2 biofuel cell developed by Whitesides and collaborators had an open circuit potential difference of 0.8 V and a maximum power generation of the cell of 0.67 mW / cm 2 [8]. The methanol biofuel cell described in Document 1 does not have an immobilized enzyme, and therefore the life of the fuel cell is long and limited to a few days. The methanol biofuel cells of the present invention based on TBAB / Nafion membranes have been tested for more than 5 days without performance degradation.

他の多くのメタノールバイオ燃料電池が文献に示されているが[9〜11]、報告されている最も高い開放回路電位差は0.3Vである。これは、低レドックス媒介物質および低触媒活性の組み合わせるによるものである。ポリ(メチレングリーン)レドックス媒介物質は、水性レドックス媒介物質または吸着レドックス媒介物質より高い安定性を示し、NADHの酸化過電圧を400mV減少させ[5]、TBAB/NafionTM膜は、酵素固定化に理想的な環境を与える。 While many other methanol biofuel cells have been shown in the literature [9-11], the highest open circuit potential difference reported is 0.3V. This is due to the combination of low redox mediator and low catalytic activity. Poly (methylene green) redox mediators are more stable than aqueous redox mediators or adsorbed redox mediators, reducing NADH oxidation overvoltage by 400 mV [5], and TBAB / Nafion TM membranes are ideal for enzyme immobilization Give a positive environment.

実施例4
試薬および電極製造
メチレングリーン(Sigma)、硝酸ナトリウム(Fisher)、硼酸ナトリウム(Fisher)、NafionTM1100懸濁液(Aldrich)およびNafionTM117 (Aldrich)を購入し、入手した状態で使用した。使用した酵素は、アルコールデヒドロゲナーゼ(E.C. 1.1.1.1、初期活性300〜500単位/mg)、アルデヒドデヒドロゲナーゼ(E.C. 1.2.1.5、初期活性2〜10単位/mg)、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ(E.C. 1.2.1.2、初期活性1〜6単位/mg)、および蟻酸デヒドロゲナーゼ(E.C. 1.2.1.46、初期活性5〜15単位/mg)を包含する。酵素は、Sigma(St. Louis, MO)およびRoche Applied Science(Indianapolis, IN)から購入し、0℃で保存し、入手した状態で使用した。さらに、NADおよびNADHをSigmaから購入し、入手した状態で使用した。
Example 4
Reagent and Electrode Production Methylene Green (Sigma), Sodium Nitrate (Fisher), Sodium Borate (Fisher), Nafion 1100 Suspension (Aldrich) and Nafion 117 (Aldrich) were purchased and used as received. The enzymes used were alcohol dehydrogenase (EC 1.1.1.1, initial activity 300-500 units / mg), aldehyde dehydrogenase (EC 1.2.1.5, initial activity 2-10 units / mg), formaldehyde dehydrogenase (EC 1.2.1.2, initial Activity 1-6 units / mg), and formate dehydrogenase (EC 1.2.1.46, initial activity 5-15 units / mg). Enzymes were purchased from Sigma (St. Louis, MO) and Roche Applied Science (Indianapolis, IN), stored at 0 ° C. and used as received. In addition, NAD + and NADH were purchased from Sigma and used as received.

バイオアノードは、メチレングリーンと電気重合させた1cmx1cmの正方形のカーボンフェルト(Alfa Aesar)で構成する。10mM四硼酸ナトリウム中に0.4mMメチレングリーンおよび0.1M硝酸ナトリウムを含有する溶液において、スキャン速度0.05V/秒で、12のスイープセグメント(sweep segments)について、−0.3ボルト〜1.3ボルトでCH Instruments 810または620 potentiostat(Austin, TX)を使用して、サイクリックボルタンメトリーを行なうことによって、ポリ(メチレングリーン)の薄膜を形成した。電極を濯ぎ、次に、さらに変性する前に一晩乾燥させた。   The bioanode consists of 1 cm x 1 cm square carbon felt (Alfa Aesar) electropolymerized with methylene green. In a solution containing 0.4 mM methylene green and 0.1 M sodium nitrate in 10 mM sodium tetraborate, CH Instruments 810 at -0.3 volts to 1.3 volts for 12 sweep segments at a scan rate of 0.05 V / sec. Poly (methylene green) thin films were formed by cyclic voltammetry using 620 potentiostat (Austin, TX). The electrode was rinsed and then allowed to dry overnight before further modification.

実施例5〜7
種々の燃料流体用のバイオアノード
指定の酵素および燃料流体を使用した以外は、実施例3で使用したのと同じ手順。

Figure 0004878756
Examples 5-7
The same procedure used in Example 3, except that bioanode- designated enzymes and fuel fluids for various fuel fluids were used.
Figure 0004878756

実施例8
ポリメチレングリーンで処理したグラファイトワーム
メチレングリーン(Sigma)、硝酸ナトリウム(Fisher)、硼酸ナトリウム(Fisher)を購入し、入手した状態で使用した。GATエキスパンデッドグラファイトワーム、ラボコード:3-96-16(Superior Graphite Co.)、防水性でないカーボン布(E-Tek)およびカーボンテープ(Spi Supplies)を、入手した状態で使用した。
Example 8
Graphite worm methylene green (Sigma), sodium nitrate (Fisher) and sodium borate (Fisher) treated with polymethylene green were purchased and used as received. GAT expanded graphite worm, lab code: 3-96-16 (Superior Graphite Co.), non-waterproof carbon cloth (E-Tek) and carbon tape (Spi Supplies) were used as received.

1mM濃度のメチレングリーン、硝酸ナトリウムおよび硼酸ナトリウムを添加することによって、18MΩ水中に、メチレングリーン含有緩衝液を調製した。使用前に、溶質を充分に溶解させた。次に、適量のメチレングリーン緩衝溶液を充填した大きい容器に、所望量のGATエキスパンデッドグラファイトワームを入れた。グラファイトおよびメチレングリーン緩衝溶液を、30分間充分に混合して、グラファイト表面へのメチレングリーンの完全な吸着を確実にした。   A methylene green-containing buffer was prepared in 18 MΩ water by adding 1 mM concentrations of methylene green, sodium nitrate and sodium borate. Prior to use, the solute was fully dissolved. Next, a desired amount of GAT expanded graphite worm was placed in a large container filled with an appropriate amount of methylene green buffer solution. The graphite and methylene green buffer solutions were mixed well for 30 minutes to ensure complete adsorption of methylene green on the graphite surface.

グラファイトと緩衝溶液との混合物を、溶液中のグラファイトの低密度に基づいて分離させた。次に、過剰の緩衝剤をグラファイトから流し出し、次に、グラファイトを18MΩ水で洗浄した。各洗浄後に、溶液を分離させ、過剰量を流し出し、追加の洗浄を行なった。洗浄溶液が透明になり、過剰のメチレングリーンを含有していないと思われるようになるまで、この工程を繰り返した。最終洗浄液を流し出し、前処理されたグラファイト物質を、さらに使用する前に、完全に乾燥させた。   The mixture of graphite and buffer solution was separated based on the low density of graphite in the solution. Next, excess buffer was flushed out of the graphite and the graphite was then washed with 18 MΩ water. After each wash, the solution was separated, excess was poured off, and additional washes were performed. This process was repeated until the wash solution became clear and did not appear to contain excess methylene green. The final wash was drained and the pretreated graphite material was completely dried before further use.

得られた物質は、ルース(loose)グラファイト粉末に類似し、使用可能な電極形態に加工する必要があった。あらゆる所望の寸法または形に最終電極を加工することにおいて、かなりの順応性があった。選択されたパラメータは、2.5cmx2.5cm電極を調製することであった。これは、所望寸法の注文製造プレキシグラス鋳型に、前処理グラファイト物質を充填することによって行なわれた。油圧ジャッキを使用して、該物質を変化する圧力に加圧した。一般に3000psiを使用した。   The resulting material was similar to loose graphite powder and had to be processed into a usable electrode form. There was considerable flexibility in processing the final electrode to any desired size or shape. The parameter selected was to prepare a 2.5 cm x 2.5 cm electrode. This was done by filling a custom-made plexiglas mold of the desired dimensions with pretreated graphite material. The material was pressurized to varying pressures using a hydraulic jack. Generally 3000 psi was used.

3000psi未満のウォームの加圧はいずれも、機械的に不安定な電子導体を生じた。一般に、電子導体は3000〜4000psiに加圧される。これは、炭素繊維にそれを付着させるような付加的支持なしに、使用するのに充分な機械的安定性であった。さらに、これらの加圧条件は、液体に半透性の電子導体を生じた。より高い圧力は、あまりに緻密すぎて液体が電子導体に容易に吸収されない電子導体を生じた。   Any pressurization of worms below 3000 psi produced mechanically unstable electronic conductors. Generally, the electronic conductor is pressurized to 3000-4000 psi. This was sufficient mechanical stability to use without additional support to attach it to the carbon fiber. Furthermore, these pressurization conditions produced a semi-permeable electronic conductor in the liquid. The higher pressure resulted in an electron conductor that was too dense and the liquid was not easily absorbed by the electron conductor.

得られた電極は粗く、さらなる安定性のために支持物質に付着させることできた。使用した支持物質はカーボン布であった。両面カーボンテープの層をカーボン布の一方の面に付着させ、その上に、前処理プレスグラファイトワームを配置した。   The resulting electrode was rough and could be attached to a support material for further stability. The support material used was a carbon cloth. A layer of double-sided carbon tape was attached to one side of the carbon cloth, and a pretreated press graphite worm was placed thereon.

この時点で、レドックス種の安定性および寿命を向上させるためにレドックス種の重合を行なった。重合は、化学的または電気化学的手段によって行なうことができる。この場合、1mMメチレングリーン、1mM硝酸ナトリウムおよび1mM硼酸ナトリウムを含有する溶液に、構成した電極を入れることによって、レドックス種を電気化学的に重合させた。その系を、使用電極として作用する構成電極、白金対電極(counter electrode)およびAg/AgCl基準(reference)を有するCH Instruments 810 potentiostatに連結した。14のスイープセグメントについて、電位差を−0.3Vから1.3Vそして−0.3Vで走査した。これは、電極上に安定なメチレングリーンポリマーを生じた。   At this point, the redox species was polymerized to improve the stability and lifetime of the redox species. The polymerization can be carried out by chemical or electrochemical means. In this case, the redox species was electrochemically polymerized by placing the constructed electrode into a solution containing 1 mM methylene green, 1 mM sodium nitrate and 1 mM sodium borate. The system was linked to a CH Instruments 810 potentiostat with a component electrode that served as the working electrode, a platinum counter electrode and an Ag / AgCl reference. For the 14 sweep segments, the potential difference was scanned from -0.3V to 1.3V and -0.3V. This resulted in a stable methylene green polymer on the electrode.

実施例9
バイオカソード
第四級アンモニウム添加NafionTMフィルム中の固定化オキシダーゼ、特にラッカーゼ酵素は、固定化デヒドロゲナーゼ酵素に類似している。一系列の第四級アンモニウム塩を使用して、酵素を固定化した際にどの塩が至適酵素活性を与えるかを決定する。酵素は一般に、酸化剤として酸素を使用する。酵素活性は、種々のpH範囲を有する種々の緩衝剤中の飽和酸素環境において、電気化学的(サイクリックボルタンメトリー)に測定されるが、大部分の電極物質における過酸化物の低電気化学により、レドックス媒介物質が必要である。試験されるレドックス媒介物質は、[Fe(ビピリジン)32+、[Os(ビピリジン)32+、[Ru(ビピリジン)32+、および物理的に安定であり、可逆性電気化学を有し、標準還元電位差0.8V〜2.0Vを有するあらゆる他のレドックスカップルを包含する。このレドックス媒介物質は、膜と共に混合流延するか、最終流延の前に膜に塩抽出するか、または流延後に膜に抽出することができる。
Example 9
Immobilized oxidases, particularly laccase enzymes, in biocathode quaternary ammonium-added Nafion films are similar to immobilized dehydrogenase enzymes. A series of quaternary ammonium salts is used to determine which salt provides optimal enzyme activity when the enzyme is immobilized. Enzymes generally use oxygen as an oxidant. Enzyme activity is measured electrochemically (cyclic voltammetry) in saturated oxygen environments in different buffers with different pH ranges, but due to the low electrochemical of peroxides in most electrode materials, Redox mediators are needed. Redox mediators tested are [Fe (bipyridine) 3 ] 2+ , [Os (bipyridine) 3 ] 2+ , [Ru (bipyridine) 3 ] 2+ , and are physically stable and have reversible electrochemistry Including any other redox couple with a standard reduction potential difference of 0.8V to 2.0V. The redox mediator can be mixed cast with the membrane, salt extracted into the membrane prior to final casting, or extracted into the membrane after casting.

実施例10
膜電極アセンブリ(MEA)
膜電極アセンブリ(MEA)工程を、バイオアノードの構成から開始した。バイオアノードは、前記の炭素、グラファイトまたは金属電極材料のいずれからでも構成することができる。全般的MEA工程は変わらない。
Example 10
Membrane electrode assembly (MEA)
The membrane electrode assembly (MEA) process began with the configuration of the bioanode. The bioanode can be composed of any of the carbon, graphite or metal electrode materials described above. The overall MEA process is unchanged.

メチレングリーン前処理非圧縮グラファイトワームを使用する場合、前記のように電極を製造した。電極を液圧下に所望の規格値にプレスし、メチレングリーンと電気重合させ、変性NafionTM/酵素/補酵素ポリマーで被覆し、乾燥させた後に、MEAに使用する準備ができた。電極は、一般に両面において、NafionTM/酵素/補酵素ポリマーで被覆された。 When using a methylene green pretreated uncompressed graphite worm, electrodes were prepared as described above. The electrode was pressed to the desired specification under hydraulic pressure, electropolymerized with methylene green, coated with a modified Nafion / enzyme / coenzyme polymer, dried and then ready for use in MEA. The electrodes were generally coated with Nafion / enzyme / coenzyme polymer on both sides.

MEAの製造方法は、先ず、カプトン(DuPont)を清浄化し、敷くことを含んでいた。カプトンは、MEAが加熱プレスに付着するを防止し、MEAを清浄に維持する。白金添加(片面または両面添加)ガス拡散電極(Etek)を、カプトンの上に置き、その上に、ガス拡散電極より約2.5倍大きく切ったNafionTM117、112または111を置いた。次に、前もって製造したバイオアノードを、NafionTM膜の上に置いた。アセンブリを結合させるために、バイオアノードの上に別のカプトンを置く前に、アセンブリを少し湿らせた。 The MEA manufacturing process first included cleaning and laying Kapton (DuPont). Kapton prevents the MEA from sticking to the heated press and keeps the MEA clean. A platinum-added (single or double-sided) gas diffusion electrode (Etek) was placed on top of Kapton, on which Nafion 117, 112, or 111 cut approximately 2.5 times larger than the gas diffusion electrode was placed. A pre-manufactured bioanode was then placed on the Nafion membrane. In order to bond the assembly, the assembly was slightly moistened before placing another kapton on the bioanode.

次に、MEAアセンブリを、液圧プレスの発熱体の間に配置した。プレスの上部および下部定盤がちょうど接触しはじめるのに充分なだけの圧力を加えた。熱を加え、定盤を120〜135℃に加熱した。それらがその温度に達したら、圧力を所望の規格、一般に3000〜4000psiに加える。MEAアセンブリをプレスに配置する前に、定盤を予熱することができる。手順は、必ずしもこれらの工程に正確に従う必要はなく、手順に変更を加えて、首尾よく行なうこともできる。   The MEA assembly was then placed between the hydraulic press heating elements. Enough pressure was applied so that the upper and lower platens of the press just began to contact. Heat was applied and the platen was heated to 120-135 ° C. When they reach that temperature, apply pressure to the desired standard, typically 3000-4000 psi. The platen can be preheated before placing the MEA assembly on the press. The procedure does not necessarily follow these steps exactly, and can be successfully performed with changes to the procedure.

3〜5分間加圧下においた後、MEAを取り出し、カプトンから分離する前に冷却させた。   After 3-5 minutes under pressure, the MEA was removed and allowed to cool before separation from Kapton.

熱プレスせずにMEAを形成することができる。数滴の液体NafionTMまたは塩変性NafionTMを、アノードとNafionTM117、112または111の間、およびカソードとNafionTM117、112または111の間の両方に添加する以外は同様にMEAを構成した。次に、液体NafionTMが乾燥するまで、このアセンブリを加熱せずにプレスした。 MEA can be formed without hot pressing. The MEA was similarly constructed except that a few drops of liquid Nafion TM or salt-modified Nafion TM were added both between the anode and Nafion TM 117, 112 or 111, and between the cathode and Nafion TM 117, 112 or 111. . The assembly was then pressed without heating until the liquid Nafion was dry.

さらに、アノードを下記のように前もって製造することもできる。レドックスポリマーが必要な場合、所望の電極物質をレドックスポリマーに電気重合させるかまたは化学的に重合させた。この時に、酵素を配置せずにMEAアセンブリに電極を配置し、前記のように熱プレスした。プレスし冷却した後、酵素を、完成MEAのアノード側に流延した。   In addition, the anode can be pre-manufactured as follows. When a redox polymer was required, the desired electrode material was electropolymerized or chemically polymerized into a redox polymer. At this time, electrodes were placed on the MEA assembly without placing the enzyme and hot pressed as described above. After pressing and cooling, the enzyme was cast to the anode side of the finished MEA.

9個のバイオ燃料電池MEAを製造し、そのうちの7個が適切に作用した。バイオ燃料電池MEAによって生じた開放回路電位差は0.36〜0.599Vであり、電力密度は0.15〜1.49mW/cm2であった。 Nine biofuel cells MEA were manufactured, 7 of which worked properly. The open circuit potential difference produced by the biofuel cell MEA was 0.36 to 0.599 V and the power density was 0.15 to 1.49 mW / cm 2 .

実施例11
PQQ依存性酵素
非変性電極において酸化することができる補酵素の例は、ピロロキノリンキノン(PQQ)である。PQQは、細菌アルコールデヒドロゲナーゼにおけるレドックス補助因子として見出された。PQQは、非変性炭素基剤電極において、その酸化形態と還元形態の間の、有効なpH依存性および可逆性の電子移動を示すo−キノン成分を含有する。PQQ依存性デヒドロゲナーゼ酵素の使用は、バイオ燃料電池およびセンサーに使用される電気触媒を除去することを可能にする。これは、電極構成を簡単にし、コストを低減し、そして、より小さい分子サイズ故に、膜を通るPQQのより高い流動率(flux)によって、遅い物質移動による電力損失をより少なくする。
Example 11
An example of a coenzyme that can be oxidized at a PQQ-dependent enzyme non-denaturing electrode is pyrroloquinoline quinone (PQQ). PQQ was found as a redox cofactor in bacterial alcohol dehydrogenase. PQQ contains an o-quinone component that exhibits effective pH-dependent and reversible electron transfer between its oxidized and reduced forms at the unmodified carbon-based electrode. The use of a PQQ-dependent dehydrogenase enzyme makes it possible to remove the electrocatalyst used in biofuel cells and sensors. This simplifies electrode construction, reduces cost, and lower power loss due to slow mass transfer due to the higher flux of PQQ through the membrane due to the smaller molecular size.

実施例12
酵素センサー
化学的または電気化学的手段によって重合させたメチレングリーンで、ガラス状カーボン電極を変性した。実施例1に記載した手順を使用して、アルコールデヒドロゲナーゼを、テトラブチルアンモニウムブロミド変性NafionTM膜に固定化し、固定化した酵素を変性ガラス状カーボン電極に重ね、乾燥させた。変性ガラス状カーボン電極を乾燥させた後、pH7.15の燐酸塩緩衝液1.5mLに入れ、平衡させた。平衡させた後、電流測定検出を電位差−0.4Vで行なった。基線示度を確定した後、燐酸塩緩衝液中の8mMエタノール溶液1mLを、溶液に注入した。図10は、電流測定センサーについての電流対時間のグラフを示す。
Example 12
Glassy carbon electrodes were modified with methylene green polymerized by enzyme sensor chemical or electrochemical means. Using the procedure described in Example 1, alcohol dehydrogenase was immobilized on a tetrabutylammonium bromide modified Nafion membrane, and the immobilized enzyme was layered on a modified glassy carbon electrode and dried. The modified glassy carbon electrode was dried and then equilibrated in 1.5 mL of pH 7.15 phosphate buffer. After equilibration, amperometric detection was performed with a potential difference of −0.4V. After establishing the baseline reading, 1 mL of an 8 mM ethanol solution in phosphate buffer was injected into the solution. FIG. 10 shows a current versus time graph for an amperometric sensor.

関連文献の記載
本明細書を通して引用した文献を、その番号によってここに列挙し、それらは本明細書に参照として組み入れられる。ここに記載した文献の考察は、文献の著者によってなされた主張を要約するものにすぎず、いずれかの文献が先行技術を構成することを認めるものではない。出願人は引用文献の正確性および妥当性に意義を申し立てる権利を留保する:
1.G.T.R. Palmore; G.M. Whitesides, "Microbial and Enzymatic Biofuel Cells", ACS Symposium Series 566 (1994) 271-290。
2.M. Schrenk; R. Villigram; N. Torrence; S. Brancato; S.D. Minteer, "Effect of Mixture Casting NafionTM with Quaternary Ammonium Bromide Salts on the Ion-Exchange Capacity and Mass Transport in the Membranes」, Journal of Membrane Science 205 (2002) 3-10。
3.T.J. Thomas; K.E. Ponnusamy; N.M. Chang; K. Galmore; S.D. Minteer, "Effects of Annealing on Mixture-Cast Membranes of NafionTM and Quaternary Ammonium Bromide Salts", Journal of Membrane Science, Vol. 213, (2003) 55-56。
4.W.J. Blaedel; R.A. Jenkins, "Study of the Electrochemical Oxidation of Reduced Nicotinamide Adenine Dinucleotide", Analytical Chemistry 47 (1975) 1337-1338。
5.D. Zhou; H.Q. Fang; H. Chen; H. Ju; Y. Wang, "The Electrochemical Polymerization of Methylene Green and its Electrocatalysis for the Oxidation of NADH", Analytica Chimica Acta 329 (1996) 41-48。
6.D.W. Green; H.W. Sun; B.V. Plapp, "Inversion of the Substrate Specificity of Yeast Alcohol Dehydrogenase", Journal of Biological Chemistry 268 (1993) 7792-7798。
7.Worthington, V. "Worthington Enzyme Manual" (1988) 16。
8.G.T.R. Palmore; H. Bertschy; S.H. Bergens; G.M. Whitesides, "A Methanol/Dioxygen Biofuel Cell that Uses NAD-Dependent Dehydrogenases as Catalysts: Application of an Electro-Enzymic Method to Regenerate Nicotinamide Adenine Dinucleotide at Low Overpotentials", Journal of Electroanalytical Chemistry 443 (1998) 155-161。
9.E.V. Plotkin, I.J. Higgins; H.A.O. Hill, "Methanol Dehydrogenase Bioelectrochemical Cell and Alcohol Detector"、Biotechnology Letters 3 (1981) 187-192。
10.G. Davis; H.A.O. Hill; W. J. Aston; I.J. Higgins; A.P.F. Turner, "Bioelectrochemical Fuel-Cell and Sensor Based on a Quinoprotein, Alcohol-Dehydrogenase", Enzyme and Microbial Technology 5 (1983) 383-388。
11.P.L. Yue; K. Lowther, "Enzymatic Oxidation of C1 Compounds in a Biochemical Fuel Cell", Chemical Engineering Journal. 33B (1986) 69-77。
Description of Related Literatures References cited throughout this specification are listed here by their number and are hereby incorporated by reference. The discussion of the documents listed here is only a summary of the claims made by the authors of the documents and does not admit that any document constitutes prior art. Applicant reserves the right to claim the accuracy and validity of the cited document:
1. GTR Palmore; GM Whitesides, "Microbial and Enzymatic Biofuel Cells", ACS Symposium Series 566 (1994) 271-290.
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Four. RA Jenkins, “Study of the Electrochemical Oxidation of Reduced Nicotinamide Adenine Dinucleotide”, Analytical Chemistry 47 (1975) 1337-1338.
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11. PL Yue; K. Lowther, “Enzymatic Oxidation of C1 Compounds in a Biochemical Fuel Cell”, Chemical Engineering Journal. 33B (1986) 69-77.

前記を考慮して、本発明のいくつかの目的が達成され、他の有利な結果が得られることが理解される。   In view of the above, it will be seen that the several objects of the invention are achieved and other advantageous results are obtained.

本発明の範囲を逸脱せずに、種々の変更を前記の方法に加えることができるので、先の記載に含まれ、添付の図面に示されている全ての内容は、例示するものであって、限定するものではないと理解される。   Since various modifications can be made to the above method without departing from the scope of the present invention, all content contained in the foregoing description and shown in the accompanying drawings is illustrative. It is understood that this is not a limitation.

バイオ燃料電池の概略図(一定比率でない)である。1 is a schematic diagram (not a fixed ratio) of a biofuel cell. エタノールのアルデヒドへの酸化が、NAD依存性アルコールデヒドロゲナーゼ(ADH)によって触媒される。NADHが、ポリ(メチレングリーン)変性電極において電気分解される。Oxidation of ethanol to aldehyde is catalyzed by NAD + dependent alcohol dehydrogenase (ADH). NADH is electrolyzed at the poly (methylene green) modified electrode. 室温における、開放回路電圧0.60Vでの、エタノール/O2バイオ燃料電池の典型的電力曲線である。Figure 2 is a typical power curve for an ethanol / O2 biofuel cell at room temperature with an open circuit voltage of 0.60V. pH7.15燐酸塩緩衝剤中のNADおよびエタノールで処理した変性NafionTM膜に固定化したアルコールデヒドロゲナーゼにおける、NADHの形成の一系列の蛍光顕微鏡写真である。図中、(a)は未変性NafionTM膜であり、(b)はテトラメチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜であり、(c)はテトラエチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜であり、(d)はテトラプロピルアンモニウムブロミド/NafionTM膜であり、(e)はテトラブチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜であり、そして(f)はテトラペンチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜である。FIG. 5 is a series of fluorescence micrographs of NADH formation in alcohol dehydrogenase immobilized on a modified Nafion membrane treated with NAD + and ethanol in pH 7.15 phosphate buffer. In the figure, (a) is a native Nafion membrane, (b) is a tetramethylammonium bromide / Nafion membrane, (c) is a tetraethylammonium bromide / Nafion membrane, and (d) is a tetrapropyl ammonium. Ammonium bromide / Nafion membrane, (e) is a tetrabutylammonium bromide / Nafion membrane, and (f) is a tetrapentylammonium bromide / Nafion membrane. pH7.15燐酸塩緩衝液中のNADおよびエタノール溶液で処理されたテトラブチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜に固定化された、アニールされたアルコールデヒドロゲナーゼの蛍光顕微鏡写真である。Fluorescence micrograph of annealed alcohol dehydrogenase immobilized on tetrabutylammonium bromide / Nafion membrane treated with NAD + and ethanol solution in pH 7.15 phosphate buffer. pH7.15燐酸塩緩衝液中のNADおよびアセトアルデヒド溶液で処理されたテトラペンチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜に固定化された、アルデヒドデヒドロゲナーゼの蛍光顕微鏡写真である。Fluorescence micrograph of aldehyde dehydrogenase immobilized on tetrapentylammonium bromide / Nafion membrane treated with NAD + and acetaldehyde solution in pH 7.15 phosphate buffer. NafionTM膜に固定化されたラッカーゼを使用したバイオカソードの概略図である。1 is a schematic diagram of a biocathode using laccase immobilized on a Nafion membrane. FIG. テトラブチルアンモニウムブロミド/NafionTM膜について、燃料を比較したサイクリックボルタモグラム(cyclic voltammogram)である。Figure 2 is a cyclic voltammogram comparing fuels for a tetrabutylammonium bromide / Nafion membrane. 裸ガラス状カーボン電極における、ピロロキノリンキノン(PQQ)のサイクリックボルタモグラムである。It is a cyclic voltammogram of pyrroloquinoline quinone (PQQ) in a bare glassy carbon electrode. エタノールセンサーについての電流対時間曲線を示すグラフである。It is a graph which shows the electric current versus time curve about an ethanol sensor. バイオ燃料電池用の膜電極アセンブリ(MEA)の概略図である。1 is a schematic view of a membrane electrode assembly (MEA) for a biofuel cell. FIG. 開放回路電圧0.599Vを与える室温で作動するエタノール/O2膜電極アセンブリ(MEA)バイオ燃料電池の、典型的電力曲線である。 2 is a typical power curve for an ethanol / O 2 membrane electrode assembly (MEA) biofuel cell operating at room temperature providing an open circuit voltage of 0.599V.

Claims (14)

(a) 電子導体、
(b) 電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、
(c) 酵素を固定化し安定化することができ、ミセル構造または逆ミセル構造を有する酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性であり、安定化された酵素は、少なくとも30日間にわたって初期酵素活性の少なくとも75%を保持する、酵素固定化物質、および
(d) 電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒
を有するバイオアノード。
(A) electronic conductors,
(B) at least one enzyme capable of reacting with the oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator;
(C) can be of immobilizing and stabilizing the enzyme, an enzyme immobilization material comprising a micellar or inverted micellar structure, the fuel fluid and the electron mediator permeability der is, enzymes that are stabilized, at least 30 An enzyme immobilization material that retains at least 75% of the initial enzyme activity over a period of time , and (d) an electrocatalyst in proximity to the electron conductor, wherein the oxidized form of the electrocatalyst reacts with the reduced form of the electron mediator; A bioanode having an electrocatalyst capable of producing an oxidized form of an electron mediator and a reduced form of an electrocatalyst, wherein the reduced form of the electrocatalyst can emit electrons to an electron conductor.
(a) 電子導体、
(b) 電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができる少なくとも1つの酵素、
(c) ミセル構造または逆ミセル構造を有し、電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、酵素を固定化し安定化することができ、燃料流体透過性であり、安定化された酵素は、少なくとも30日間にわたって初期酵素活性の少なくとも75%を保持する、酵素固定化物質、および
(d) 電子導体に近接する電気触媒であって、電気触媒の酸化形態が、電子メディエータの還元形態と反応して、電子メディエータの酸化形態および電気触媒の還元形態を生成することができ、電気触媒の還元形態が電子導体に電子を放出することができる電気触媒
を有するバイオアノード。
(A) electronic conductors,
(B) at least one enzyme capable of reacting with the oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid to produce an oxidized form of the fuel fluid and a reduced form of the electron mediator;
(C) has the micellar or inverted micellar structure, an enzyme immobilization material comprising the electron mediator, able of immobilizing and stabilizing the enzyme, the fuel fluid permeable der is, stabilized The enzyme retains at least 75% of the initial enzyme activity for at least 30 days , and (d) an electrocatalyst proximate to the electron conductor, wherein the oxidized form of the electrocatalyst is the reduced form of the electron mediator A bioanode having an electrocatalyst that can be reacted with to produce an oxidized form of an electron mediator and a reduced form of an electrocatalyst, wherein the reduced form of the electrocatalyst can release electrons to an electron conductor.
(a) 電子導体、
(b) 電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および
(c) 酵素を固定化し安定化することができ、ミセル構造または逆ミセル構造を有する酵素固定化物質であって、燃料流体および電子メディエータ透過性であり、安定化された酵素は、少なくとも30日間にわたって初期酵素活性の少なくとも75%を保持する、酵素固定化物質
含むバイオアノード。
(A) electronic conductors,
(B) It can react with the oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid to produce the oxidized form of the fuel fluid and the reduced form of the electron mediator, and the reduced form of the electron mediator can emit electrons to the electron conductor. at least one enzyme, and (c) can be of immobilizing and stabilizing the enzyme, an enzyme immobilization material comprising a micellar or inverted micellar structure, Ri fuel fluid and the electron mediator permeability der, stabilized The enzyme-immobilized material that retains at least 75% of the initial enzyme activity for at least 30 days
Bio-anode comprising a.
(a) 電子導体、
(b) 電子メディエータの酸化形態および燃料流体と反応して、燃料流体の酸化形態および電子メディエータの還元形態を生成することができ、電子メディエータの還元形態が電子導体に電子を放出することができる少なくとも1つの酵素、および
(c) ミセル構造または逆ミセル構造を有し、電子メディエータを含んで成る酵素固定化物質であって、酵素を固定化し安定化することができ、燃料流体透過性であり、安定化された酵素は、少なくとも30日間にわたって初期酵素活性の少なくとも75%を保持する、酵素固定化物質
を有するバイオアノード。
(A) electronic conductors,
(B) It can react with the oxidized form of the electron mediator and the fuel fluid to produce the oxidized form of the fuel fluid and the reduced form of the electron mediator, and the reduced form of the electron mediator can emit electrons to the electron conductor. At least one enzyme; and (c) an enzyme immobilization material having a micelle structure or reverse micelle structure and comprising an electron mediator, capable of immobilizing and stabilizing the enzyme, and being permeable to fuel fluid A bioanode having an enzyme immobilization material wherein the stabilized enzyme retains at least 75% of the initial enzyme activity for at least 30 days .
酵素固定化物質が、変性パーフルオロスルホン酸−ポリテトラフルオロエチレン(PTFE)コポリマーを含んでなる請求項1〜4のいずれかに記載のバイオアノード。  The bioanode according to any one of claims 1 to 4, wherein the enzyme-immobilized substance comprises a modified perfluorosulfonic acid-polytetrafluoroethylene (PTFE) copolymer. 電気発生用のバイオ燃料電池であって、
燃料流体;
電子メディエータ;
電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに
請求項1に記載のバイオアノード
を含んで成るバイオ燃料電池。
A biofuel cell for generating electricity,
Fuel fluid;
Electronic mediators;
A biofuel cell comprising a cathode capable of reducing water to produce oxidant in the presence of electrons; and a bioanode according to claim 1 .
電気発生用のバイオ燃料電池であって、A biofuel cell for generating electricity,
燃料流体;  Fuel fluid;
電子メディエータ;  Electronic mediators;
電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに  A cathode capable of reducing the oxidant in the presence of electrons to produce water; and
請求項3に記載のバイオアノード  The bioanode according to claim 3.
を含んで成るバイオ燃料電池。A biofuel cell comprising:
電気発生用のバイオ燃料電池であって、
燃料流体;
電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに
請求項2に記載のバイオアノード
を含んで成るバイオ燃料電池。
A biofuel cell for generating electricity,
Fuel fluid;
A cathode capable of reducing water to produce oxidant in the presence of electrons; and a biofuel cell comprising a bioanode according to claim 2 .
電気発生用のバイオ燃料電池であって、A biofuel cell for generating electricity,
燃料流体;  Fuel fluid;
電子の存在下に酸化剤を還元して水を生成することができるカソード;並びに  A cathode capable of reducing the oxidant in the presence of electrons to produce water; and
請求項4に記載のバイオアノード  The bioanode according to claim 4.
を含んで成るバイオ燃料電池。A biofuel cell comprising:
電子導体が、カーボン布、カーボン紙、カーボンスクリーン印刷電極、カーボンブラック、炭素粉末、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイヤモンド被覆導体、ガラス状カーボン、メソポーラスカーボン、グラファイト、非圧縮グラファイトワーム、離層精製フレークグラファイト、高性能グラファイト、高規則熱分解グラファイト、熱分解グラファイトまたは多結晶質グラファイトから成り、
酵素固定化物質が、アンモニウムに基づく陽イオン、第四級アンモニウム陽イオン、アルキルトリメチルアンモニウム陽イオン、有機陽イオン、ホスホニウム陽イオン、トリフェニルホスホニウム、ピリジニウム陽イオン、イミダゾリウム陽イオン、ヘキサデシルピリジニウム、エチジウム、ビオロゲン、メチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン、ビス(トリフェニルホスフィン)イミニウム、金属錯体、ビピリジル金属錯体、フェナントロリンに基づく金属錯体、[Ru(ビピリジン)32+または[Fe(フェナントロリン)33+から成るNH4 より大きい疎水性陽イオンで変性されており、
酵素が、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、ラクトースデヒドロゲナーゼまたはピルビン酸デヒドロゲナーゼから成り、
電子メディエータ用の電気触媒が、メチレングリーン、メチレンブルー、ルミノール、ニトロ−フルオレノン誘導体、アジン、オスミウムフェナントロリンジオン、カテコール−ペンダントテルピリジン、トルエンブルー、クレシルブルー、ナイルブルー、ニュートラルレッド、フェナジン誘導体、チオニン、アズールA、アズールB、トルイジンブルーO、アセトフェノン、メタロフタロシアニン、ナイルブルーA、変性遷移金属リガンド、1,10−フェナントロリン−5,6−ジオン、1,10−フェナントロリン−5,6−ジオール、[Re(フェン−ジオン)(CO)3Cl]、[Re(フェン−ジオン)3](PF62、ポリ(メタロフタロシアニン)、ポリ(チオニン)、キノン、ジイミン、ジアミノベンゼン、ジアミノピリジン、フェノチアジン、フェノキサジン、トルイジンブルー、ブリリアントクレシルブルー、3,4−ジヒドロキシベンズアルデヒド、ポリ(アクリル酸)、ポリ(アズールI)、ボリ(ナイルブルーA)、ポリ(メチレングリーン)、ポリ(メチレンブルー)、ポリアニリン、ポリピリジン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリ(チエノ[3,4−b]チオフェン)、ポリ(3−ヘキシルチオフェン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシピロール)、ポリ(イソチアナフテン)、ポリ(3,4−エチレンジオキシチオフェン)、ポリ(ジフルオロアセチレン)、ポリ(4−ジシアノメチレン−4H−シクロペンタ[2,1−b;3,4−b']ジチオフェン)、ポリ(3−(4−フルオロフェニル)チオフェン)またはポリ(ニュートラルレッド)から成り、
電子メディエータが、ニコチンアミドアデニンジヌクレオチド(NAD)、フラビンアデニンジヌクレオチド(FAD)またはニコチンアミドアデニンジヌクレオチドホスフェート(NADP)から成る、請求項1または2に記載のバイオアノード若しくは請求項またはに記載のバイオ燃料電池。
Electron conductor is carbon cloth, carbon paper, carbon screen printing electrode, carbon black, carbon powder, carbon fiber, single-walled carbon nanotube, double-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanotube array, diamond-coated conductor, glassy carbon, Consisting of mesoporous carbon, graphite, uncompressed graphite worm, delaminated flake graphite, high performance graphite, highly ordered pyrolytic graphite, pyrolytic graphite or polycrystalline graphite,
Enzyme immobilization material is ammonium based cation, quaternary ammonium cation, alkyltrimethylammonium cation, organic cation, phosphonium cation, triphenylphosphonium, pyridinium cation, imidazolium cation, hexadecylpyridinium, It consists of ethidium, viologen, methyl viologen, benzyl viologen, bis (triphenylphosphine) iminium, metal complex, bipyridyl metal complex, metal complex based on phenanthroline, [Ru (bipyridine) 3 ] 2+ or [Fe (phenanthroline) 3 ] 3+ Modified with a larger hydrophobic cation than NH 4 +
The enzyme comprises alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase, glucose oxidase, lactate dehydrogenase, lactose dehydrogenase or pyruvate dehydrogenase;
Electrocatalysts for electron mediators include methylene green, methylene blue, luminol, nitro-fluorenone derivatives, azine, osmium phenanthrolinedione, catechol-pendant terpyridine, toluene blue, cresyl blue, nile blue, neutral red, phenazine derivatives, thionine, azure A , Azure B, Toluidine Blue O, Acetophenone, Metallophthalocyanine, Nile Blue A, Modified transition metal ligand, 1,10-phenanthroline-5,6-dione, 1,10-phenanthroline-5,6-diol, [Re (phen - dione) (CO) 3 Cl], [Re ( phen - dione) 3] (PF 6) 2, poly (metallophthalocyanine), poly (thionine), quinones, diimines, diaminobenzenes, diaminopyridines, phenothiazine, phenoxazine , Toluidine blue, brilliant cresyl blue, 3,4-dihydroxybenzaldehyde, poly (acrylic acid), poly (azur I), poly (nile blue A), poly (methylene green), poly (methylene blue), polyaniline, polypyridine, Polypyrrole, polythiophene, poly (thieno [3,4-b] thiophene), poly (3-hexylthiophene), poly (3,4-ethylenedioxypyrrole), poly (isothianaphthene), poly (3,4- Ethylenedioxythiophene), poly (difluoroacetylene), poly (4-dicyanomethylene-4H-cyclopenta [2,1-b; 3,4-b ′] dithiophene), poly (3- (4-fluorophenyl) thiophene ) Or poly (neutral red)
The bioanode according to claim 1 or 2, or claim 6 or 8 , wherein the electron mediator comprises nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), flavin adenine dinucleotide (FAD) or nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP). The biofuel cell as described.
電子導体が、カーボン布、カーボン紙、カーボンスクリーン印刷電極、カーボンブラック、炭素粉末、炭素繊維、単層カーボンナノチューブ、二層カーボンナノチューブ、多層カーボンナノチューブ、カーボンナノチューブアレイ、ダイヤモンド被覆導体、ガラス状カーボン、メソポーラスカーボン、グラファイト、非圧縮グラファイトワーム、離層精製フレークグラファイト、高性能グラファイト、高規則熱分解性グラファイト、熱分解グラファイトまたは多結晶質グラファイトから成り、
酵素固定化物質が、アンモニウムに基づく陽イオン、第四級アンモニウム陽イオン、アルキルトリメチルアンモニウム陽イオン、有機陽イオン、ホスホニウム陽イオン、トリフェニルホスホニウム、ピリジニウム陽イオン、イミダゾリウム陽イオン、ヘキサデシルピリジニウム、エチジウム、ビオロゲン、メチルビオロゲン、ベンジルビオロゲン、ビス(トリフェニルホスフィン)イミニウム、金属錯体、ビピリジル金属錯体、フェナントロリンに基づく金属錯体、[Ru(ビピリジン)32+または[Fe(フェナントロリン)33+から成るNH4 より大きい疎水性陽イオンで変性されており、
酵素が、アルコールデヒドロゲナーゼ、アルデヒドデヒドロゲナーゼ、蟻酸デヒドロゲナーゼ、ホルムアルデヒドデヒドロゲナーゼ、グルコースデヒドロゲナーゼ、グルコースオキシダーゼ、乳酸デヒドロゲナーゼ、ラクトースデヒドロゲナーゼまたはピルビン酸デヒドロゲナーゼから成り、
電子メディエータが、ピロロキノリンキノン、フェナジンメトスルフェート、ジクロロフェノールインドフェノール、短鎖ユビキノンまたはフェリシアン化カリウムから成る、請求項3または4に記載のバイオアノード若しくは請求項7またはに記載のバイオ燃料電池。
Electron conductor is carbon cloth, carbon paper, carbon screen printing electrode, carbon black, carbon powder, carbon fiber, single-walled carbon nanotube, double-walled carbon nanotube, multi-walled carbon nanotube, carbon nanotube array, diamond-coated conductor, glassy carbon, Made of mesoporous carbon, graphite, uncompressed graphite worm, delaminated flake graphite, high performance graphite, highly ordered pyrolytic graphite, pyrolytic graphite or polycrystalline graphite,
Enzyme immobilization material is ammonium based cation, quaternary ammonium cation, alkyltrimethylammonium cation, organic cation, phosphonium cation, triphenylphosphonium, pyridinium cation, imidazolium cation, hexadecylpyridinium, It consists of ethidium, viologen, methyl viologen, benzyl viologen, bis (triphenylphosphine) iminium, metal complex, bipyridyl metal complex, metal complex based on phenanthroline, [Ru (bipyridine) 3 ] 2+ or [Fe (phenanthroline) 3 ] 3+ Modified with a larger hydrophobic cation than NH 4 +
The enzyme comprises alcohol dehydrogenase, aldehyde dehydrogenase, formate dehydrogenase, formaldehyde dehydrogenase, glucose dehydrogenase, glucose oxidase, lactate dehydrogenase, lactose dehydrogenase or pyruvate dehydrogenase;
The bioanode according to claim 3 or 4, or the biofuel cell according to claim 7 or 9 , wherein the electron mediator comprises pyrroloquinoline quinone, phenazine methosulfate, dichlorophenolindophenol, short chain ubiquinone or potassium ferricyanide.
(a) バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元し;
(b) バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に、電子メディエータの酸化形態を還元し;
(c) 電気触媒を還元し;
(d) 電子導体において電気触媒を酸化する
ことを含んで成る、請求項6、8または10に記載のバイオ燃料電池を使用して電気を発生させる方法。
(A) oxidizing the fuel fluid at the bioanode and reducing the oxidant at the cathode;
(B) reducing the oxidized form of the electron mediator during oxidation of the fuel fluid at the bioanode;
(C) reducing the electrocatalyst;
11. A method of generating electricity using a biofuel cell according to claim 6, 8 or 10 , comprising (d) oxidizing an electrocatalyst in an electronic conductor.
(a) バイオアノードにおいて燃料流体を酸化し、カソードにおいて酸化剤を還元し;
(b) バイオアノードにおける燃料流体の酸化の間に、電子メディエータの酸化形態を還元し;
(c) 電子導体において電子メディエータを酸化する
ことを含んで成る請求項7、または11に記載のバイオ燃料電池を使用して電気を発生させる方法。
(A) oxidizing the fuel fluid at the bioanode and reducing the oxidant at the cathode;
(B) reducing the oxidized form of the electron mediator during oxidation of the fuel fluid at the bioanode;
(C) comprising oxidizing the electron mediator in the electronic conductor, a method of generating electricity using the biofuel cell according to claim 7, 9 or 11.
酵素は、酵素固定化物質に捕捉されている、請求項1〜4のいずれかに記載のバイオアノード。The bioanode according to any one of claims 1 to 4, wherein the enzyme is captured by an enzyme-immobilized substance.
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